航空航天，汽車和醫療行業中經受著大量的假冒的金屬製品，這些假冒的製品不僅會造成經濟上的損失，同時還造成人們的生命財產上的威脅。快速發展的增材製造技術使得假冒產品更加橫行無忌。在本研究中，來自曼徹斯特大學的研究人員成功的利用一個複合的粉末輸送粉末床鐳射列印技術（SLM）來在一個以316L為基材的金屬部件上植入異種金屬（Cu10Sn）銅合金標籤材料作為安全防偽特徵。X射線影像技術用來識別植入的安全標籤材料。一個用來識別安全標籤的標準，它的尺寸和植入的深度均給予了建立。多元材料SLM技術被證明是潛在的整合到金屬部件產品中用於植入防偽特徵的技術。
AM技術的快速製造的特點使得部件的防偽比以前任何時候都變得更加困難。製造者可以非常容易且快速的複製複製非專利產品，只要他們能夠獲得適合的3D印表機和他們能夠從網路上下載或者透過反求工程獲得３D模型。GE公司（通用電氣）的一項專利技術，該技術是一個基於區塊鏈技術的資料平臺，僅附加事務分類帳，來放置３D列印仿造的產品。歐盟智慧財產權局也意識到這一新技術的發展所造成的威脅。
圖2 列印過程中植入的QR程式碼的記錄的CCD影象: a) — g) 圖1中所示的每一過程 .植入的QR碼在列印過程中記錄的CCD影象：
一些研究人員發展了在CAD檔案設計的階段植入安全防偽的設計。或者植入特殊的熒光或者可見光安全特徵到３D列印的聚合物部件中。Gupta等人則實施了一項研究，來植入追蹤碼，即快速反應碼（ Quick Response (QR) code），具有快速的可讀性和強大的儲存能力，植入到增材製造工藝中用來保證產品的真實性。應用微型CT掃描器來探測植入到聚合物中植入的QR碼由黑色和白色的樹脂所組成，激光合金單一的金屬部件，該單一金屬由AlSi10Mg 所組成，在QR碼處的金屬粉末不被鐳射熔化而讓鬆散的粉末留存下來。這樣，然而，會導致部件由於缺陷的形成而造成失效。現存的商業化應用的增材製造技術的技術缺陷在於，包括SLM和DED技術，植入高解析度的QR碼上存在一定的障礙。首先，商業化應用的SLM裝置，只能鋪送單一的粉末到同一粉末上。
如果採用這一裝置來製造QR碼的話，得到的QR碼的畫素只能設計成一系列的空穴，該空穴中填充一定的鬆散的粉末，該鬆散粉末填充在固體部件中，或者是在中空部件內壁的一組盲孔中。在高的靜態／動態載荷或由於長時間的工作造成的迴圈應力所形成的疲勞失效造成應力集中。需要注意的是，應用到航空工業中的3D列印部件所需要的緻密度是100%。不理想的空穴是嚴格禁止的。另外一方面，多元金屬材料的增材製造將提供一個可以替代的解決方案，當異種金屬材料之間可以具有好的冶金結合特性的時候，就可以作為標籤材料和填充QR碼中的畫素的空隙和牢固的同主材料連線在一起。商業化應用的DED技術在沉積多元金屬材料上是可用的。InfraTrac公司應用這一多元材料系統，即鐳射金屬直接沉積，來植入一個特殊的標籤到鈦合金部件上，併成功的利用X射線熒光裝置進行了探測。由於鐳射金屬直接沉積技術加工時的精度相對較差，如在平行於製造方向上只有亞毫米的精度，這不適合用用來列印QR碼所需要的微小畫素的要求。更為嚴重的是，由於鐳射直接沉積技術採用氣體輸送粉末，有些粉末會飛濺到部件的其他區域中，導致製造部件的汙染和標籤材料的損傷與汙染。
圖3 a) 到 c)表示的是QR程式碼樣品 A, B, C的示意圖;d) 標籤環在304不鏽鋼基材上的示意圖,在這裡X射線自基材的底部發射.
因此,發展一種高解析度的多元金屬材料的增材製造技術來植入追蹤碼作為一種新的防偽技術是非常重要的.植入的安全碼的特徵應該非常容易和非常有效的被工業中常用的無損檢測技術所識別,例如,熱影像,X光照相和熒光等,同時該防虛擬碼還能夠在苛刻的工作環境中存活.SLM技術的解析度比較典型的為20–50 μm ,這一精度比DED技術要高得多．這就使得多元金屬的SLM製造技術成為在金屬部件上植入QR程式碼的一種非常有效的技術，可以全部，也可以部分採用該技術來製備QR碼．來自曼徹斯特大學的研究人員採用一種新穎的超聲振動選擇性的輸送粉末系統整合到粉末床SLM裝置中，顯示出巨大的潛力來應用到一個部件上實現定製的區域性材料的效能（如醫療植入物），印表機械－電子整合的部件（如電極和電池），由不同貴金屬所組成的珠寶等．在這裡，我們利用這一新穎的技術開發出一種新穎的防偽應用，可以使得安全特徵如QR程式碼依據使用者的要求，可以植入到金屬部件上．紅外熱影像，Ｘ射線影像，Ｘ射線熒光等技術均可以用來識別這些標籤的目標特徵．這些材料介面處的顯微組織和成分分析也進行了研究．
圖4 316 L-Cu10Sn介面的SEM照片和EDS元素分析結果：ａ）316 L-Cu10Sn樣品Ｃ材料介面的SEM照片；ｂ）ａ中的氣孔轉換後的分佈情況；ｃ）316 L-Cu10Sn樣品介面的EDS影象；d) － f)316 L-Cu10Sn樣品介面處e, Cu, Sn元素的分佈．
圖５ a) 和 b) 暴露的QR程式碼隨著時間的增加而模擬得到的溫度分佈以及部分覆蓋的QR程式碼，採用的模擬手段為FEM模擬技術.
圖6 QR程式碼隨著冷卻時間增加所得到的模擬溫度的分佈: a) 暴露的QR程式碼, b) 部分覆蓋的QR程式碼 .
圖7 a) 和 c) 樣品A和C的金相照片， b) 和 d) 從頂部來看，樣品A和C的X射線的數字照片.
曼徹斯特大學為大家展示的這一新技術,植入一種不可移除的防偽安全特徵作為標籤材料,不同於原始的構建材料,進入到不可接近的位置,透過AM工藝的金屬列印技術來實現,該技術基於一個專利權的多元材料SLM系統來實現.三種樣品的QR程式碼包含特定資訊進行了成功的製備.令人滿意的冶金結合和含有一定的氣孔在316 L/Cu10Sn材料介面處被觀察到.紅外影像技術表明這一檢測技術可以用來識別部件表面上的這一QR程式碼,識別是基於Cu10Sn 和 316 L材料的成分變化所造成的熱輻射的差別,而它有可能被表面織構的差異所形成的噪音而形成干擾,包括部件的表面粗糙度.另外一方面,數字X射線影像技術可以有效的識別嵌入的標籤.分子量比較大的標籤材料和分子量比較小的標籤材料將會在數字X射線影像中形成較大的對比度.XRF技術可以用來探測表面的標籤材料或接近表面的標籤材料.其探測範圍可以達到毫米量級.
數字X射線影像技術被證明是最為有效的無損檢測技術來檢測植入到金屬部件中的安全防偽的尺寸特徵,而X射線熒光光譜技術可以用來識別目標材料中的關鍵元素並同周圍的材料中的元素進行區分 .設計X射線進行防偽標籤材料特徵的檢測的標準為:
a)標籤材料應該具有同構建材料主要特徵的元素的原子質量要有顯著的區別,這一點對X射線影像技術的結果有顯著的影響.元素的原子質量越大,X射線影像質量的效果越好,其對比度就更加明顯.因此,Cu合金,CoCr合金,W等,所有比較適合SLM進行列印的材料均是適合作為標籤材料的候選材料,因為這些材料對主流的SLM列印的材料,如鋼,Ti,Ni和Al以及其他相關的材料來說,都是如此.材料的相容性和工作環境需要考慮進來,當設計標籤材料的時候.
b)標籤材料應該植入到表面覆蓋層之下一個相對薄的位置,這是因為對金屬部件來說,其材料厚度越大,X射線的解析度就會逐漸降低,材料就會逐漸變成一個障礙了.覆蓋材料的厚度比較理想的是不要超過3mm.
c)標籤材料的X射線影像的解析度可以進一步的透過增加目標材料的厚度和最佳化X射線影像的引數來提高,包括X射線管的加速電壓,管的電流以及暴漏時間等.推薦的標籤材料的厚度為0.2–2 mm.
多元材料SLM技術提供了一個新的可能在AM部件中的不可進入的位置植入安全防偽的特徵,例如中空渦輪葉片的內部表面,可以在製造的過程中實現.我們可以甚至應用這一技術在傳統的製造工藝中增加防偽的特徵.它可以整合整合區塊鏈技術來確保產品的專利權得到保證.這一特徵同時還可以用來記錄部件在整個產品生命週期的資訊,包括製造,檢查,維修和再回收等.
該技術在應用的時候所面臨的一大挑戰是如何快速的認證證實部件.同非金屬和輕金屬材料相比較,如AlSi10Mg,不鏽鋼中的重金屬元素被輻射的光子進行強烈的吸收,而常規的手持X射線發射探測裝置的工作功率由於安全方面的考慮限制在較低的水平.因此,植入的安全防偽的材料具有較高的材料密度的時候需要進一步的開展研究以減少探測所需要的發射強度以獲得足夠的識別解析度.另外一個方面,高成本的標籤探測裝置的成本和使用這一裝置所需要的技能也許保證更好的實現對防偽的進行檢測.
文章來源:Embedding anti-counterfeiting features in metallic components via multiple material additive manufacturing,Additive Manufacturing,Volume 24, December 2018, Pages 1-12,https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.09.003.