深度解析增材制造技術(shù)及其檢測難點

傳統(tǒng)的無損檢測方法,，在檢測增材制造技術(shù)制備出的零部件,，與檢測其他加工技術(shù)制備的零件方面有很多相似之處。但是,，或多或少,，增材制造技術(shù)的興起仍然對無損檢測技術(shù)帶來了一定的挑戰(zhàn),。

增材制造（AM）是近年來最熱門和最具革命性的制造工藝之一。這種新型制造工藝只要把設(shè)計輸入機器里,，然后把功能部件從機器的另一邊取出來即可,，這種想法以前出現(xiàn)在上一代人的科幻小說里，雖然現(xiàn)在我們?nèi)噪x《星際迷航》電影里那樣復(fù)制人類的技術(shù)還很遙遠,，但我們正在縮小這個差距,。

塑料、橡膠,、陶瓷,、油墨、貴金屬和一些特殊合金材料,，每天都在不同的行業(yè)中被制造及應(yīng)用,，其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，包括普通玩具,、模具,，甚至到人體器官等。現(xiàn)在這一切都可以利用3D打�,。ㄔ霾闹圃欤┘夹g(shù)打印出來,。在本文中，我們將重點關(guān)注增材制造技術(shù)在航空航天和發(fā)電方面的應(yīng)用,，許多人正就這些方面的一些難題不斷在努力設(shè)計和創(chuàng)造一些創(chuàng)新的解決方案,。

在這些領(lǐng)域中，使用3D打印技術(shù)制造的組件正變得愈加復(fù)雜,，并且在越來越多的關(guān)鍵應(yīng)用中被接受和使用,。這些應(yīng)用程序只是有關(guān)行業(yè)希望與增材制造技術(shù)合作的開始。在不久的將來,，隨著增材制造技術(shù)所用的粉末和合金材料性能的不斷進步,，制造出來的新組件的綜合性能也將達到一種更高、更新的水平,。

現(xiàn)在，考慮到增材制造技術(shù)正在生產(chǎn)的產(chǎn)品具有更加獨特和高度優(yōu)化的形狀,，我們也需要一些更加先進的實際檢測能力,。檢測能力和冶金驗證必須是增材制造設(shè)計和工藝參數(shù)的重要組成部分。例如,，我們需要真正了解當(dāng)前的檢測現(xiàn)狀,，以及未來可能需要檢測的地方。

在深入研究增材制造檢測要點之前,，讓我們先了解一下復(fù)雜的金屬增材制造技術(shù),。

增材制造技術(shù)

首先,，增材制造（AM）技術(shù)不僅僅是一種技術(shù)，而是指一類技術(shù),。AM（通常被稱為3D打印技術(shù)）分為兩大類：粉末層熔化（PBF）和直接能量沉積（DED）,。這兩大類技術(shù)中都分別包括了一些其他分類技術(shù)。

PBF
直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）
選擇性激光燒結(jié)（SLS）
選擇性激光熔融（SLM）
電子束熔融技術(shù)（EBM）

DED
鎢極氣體保護電弧技術(shù)（GTA）
等離子弧技術(shù)（PA）
氣體保護焊技術(shù)（GMA）
等離子弧技術(shù)（PTA）
激光束技術(shù)（LB）
電子束自由技術(shù)（EBF）

在深入了解這些技術(shù)之前,，我們先了解一下PBF和DED這兩類技術(shù)的差別,。

對于PBF技術(shù)，其原理是將均勻的粉末層供給到沉積平面上,，在該沉積平面上引導(dǎo)電子束或激光,，光束或激光的能量在平面中的所有指定位置照射粉末并使其熔融固化。當(dāng)該平面完成后,，系統(tǒng)將索引到下一個平面并重復(fù)該過程,。這種情況一直會持續(xù)到組件完全構(gòu)建完畢。在PBF技術(shù)中,，沉積平面固定在x和y軸上,，并且只有當(dāng)構(gòu)建平面完全完成時才會在z軸上移動。

在DED技術(shù)中,，粉末或線材與能量源同步地供應(yīng)到熔池中,，該能量源可以是電子束或激光器。與PBF一樣,，來自光束或激光的能量將打印材料熔化,；但與PBF不同，沉積點不固定在x和y軸方向上,，這意味著,，正在建造的表面和/或能源將與建造設(shè)計相關(guān)聯(lián)移動。此外,，DED的另一個不同之處在于,，部件層的構(gòu)建幾乎可以在任何方向上進行，這也是這兩種增材制造技術(shù)之間最大的差異,。

因此,，PBF和DED都是將材料熔化并融合成設(shè)計形狀的方法，并且兩者都可以形成復(fù)雜的形狀,。不同之處在于材料的引入方式以及部件中每層的形成方式,。希望這些能讓您更好的了解金屬增材制造技術(shù)，以及PBF和DED這兩個主要的AM分類技術(shù),。

既然我們已經(jīng)知道了AM技術(shù)是如何工作的,，那么您肯定可以想象出這種技術(shù)相比于鑄造和鍛造方法的許多優(yōu)勢。例如,，在沒有模具的情況下,，AM技術(shù)可以在許多方向上構(gòu)建零件,，包括形狀非常復(fù)雜的零部件，同時還可以構(gòu)建出不同設(shè)計的某一部分,，還可以是多部分合并制造,。這種制造技術(shù)具有無限的可能，因此我們需要確保也具有對所生產(chǎn)部件進行高質(zhì)量檢查的能力,。

無損檢測方法
雖然目前針對AM的檢查方法在許多方面與鑄件和鍛件的檢查并沒有什么不同,，其中，零件通常需要經(jīng)過視覺,、尺寸,、外部和內(nèi)部測試以及相關(guān)的表面粗糙度測試等，但有時也可能完全不同,，因為許多組件都是合并和重新設(shè)計過的,。合并的部件（其中多個部件被簡化為一個部件）是特別令人感興趣的，因為它們將多個部件的幾何結(jié)構(gòu)合并到單個的新設(shè)計中,。由于AM已經(jīng)被廣泛接受,，檢驗界需要跟上，并確保產(chǎn)品的完整性保持在最高質(zhì)量水平上,。

非金屬增材制造技術(shù)

前面已經(jīng)提到,，AM產(chǎn)品在一些方面需要經(jīng)過與鑄件和鍛件相同的檢查，現(xiàn)在我們來看看這些檢查的細節(jié),。

典型的外表面檢查包括：熒光液體滲透檢測技術(shù)（PT）,、視覺檢測技術(shù)（VT，通常放大至10倍）,、表面粗糙度和尺寸檢查等,。尺寸可以使用量具、坐標(biāo)測量機（CMM）和白色/紅色/藍色光掃描儀來完成,。典型的內(nèi)部檢查則包括射線照相檢測技術(shù)（RT）,、電磁檢測技術(shù)（ET）、超聲波檢測技術(shù)（UT）,，在有些情況下還會使用計算機斷層掃描技術(shù)（CT）,。

無論采用的是哪種制造方法，每項檢查的宗旨都是相同的,。鑄件和鍛件是全身制造方法,，意味著整個部件將一次成型。AM產(chǎn)品則是分層建造,，厚度通常為0.001~0.003英寸，具體則取決于系統(tǒng)和材料,。這種差異就決定了為什么必須重視AM產(chǎn)品的檢查,，并將一些可能不同的重點放在專門的檢查上,。

傳統(tǒng)的非破壞性檢查對AM部件的執(zhí)行情況大致相同，但同時AM制造方法給傳統(tǒng)的無損檢測技術(shù)也帶來了一些新的限制,，這些限制主要是由表面粗糙度和薄層構(gòu)造所引起的,。一些AM部件的表面粗糙度過大（至少在某些區(qū)域），使得液體滲透檢測,、視覺檢測,、電磁檢測和超聲波檢測難以進行。粗糙度使得視覺觀察也變得非常困難和主觀,，另外還使得一些接觸探針的方法難以執(zhí)行,。

在了解了這些特定檢測方法的局限性后，大多數(shù)增材制造供應(yīng)商們已經(jīng)轉(zhuǎn)向使用射線照相內(nèi)部檢查方法,。射線照相法檢測（RT）,，尤其是數(shù)字RT（DR）和計算機斷層掃描技術(shù)是目前許多AM制造商的首選方法。這些檢測技術(shù)既可用于檢測產(chǎn)品的嚴重缺陷,，也可用于確認其內(nèi)部的幾何形狀,。其中CT技術(shù)還能夠進行幾何驗證，而DR技術(shù)在粗略缺陷檢測方面更有優(yōu)勢,。然而令人遺憾的是,，這兩種方法都不能夠像確定單層水平面上的缺陷那樣敏感。

逐層構(gòu)建/打印AM部件會引入不連續(xù)性特征,，而這種情況在鑄件和鍛件中是不會形成的,。每個單獨的層都容易出現(xiàn)一些缺陷，由于每層的厚度都很薄,，檢測靈敏度或分辨率將是一個非常關(guān)鍵的因素,。DR和CT技術(shù)具有不同的靈敏度，可適用于AM產(chǎn)品中產(chǎn)生的較大缺陷,，但是構(gòu)建層的厚度約為最佳X射線分辨率水平的1/3,，所以X射線捕獲的是三層厚度的夾層。除了分辨率問題之外,，幾何和密度也在一定程度上限制了這兩種檢測方法,，并且可以使DR和CT技術(shù)檢測結(jié)果的解釋變得非常主觀且不可靠。較厚的墻壁,、內(nèi)部空腔,、半徑和簡單的平面都是限制傳統(tǒng)NDT方法的一些重要因素。

所有的外部檢查都會受到表面粗糙度的限制,，而內(nèi)部射線檢查由于分辨率差也非常受限,。大多數(shù)公司以前都使用經(jīng)過破壞性測試的冶金樣品來驗證每個構(gòu)建產(chǎn)品的完整性。然而，雖然在相同條件下,，這些樣品與整個產(chǎn)品構(gòu)建在同一構(gòu)建板上,，但是一個拉伸樣品可以代表所有部件嗎？這一部分是否與另一部分完全相同呢,？

過程補償共振技術(shù)
我們現(xiàn)在知道了大多數(shù)行業(yè)在當(dāng)前標(biāo)準技術(shù)下所面臨的問題�,，F(xiàn)在需要的是一種能夠定量檢測和評估每個AM生產(chǎn)部件的檢查方法，該方法需要由部件的結(jié)構(gòu)完整性驅(qū)動,。目前,，可以提供這種檢查的選擇并不多，但有一個值得討論的是過程補償共振技術(shù)（簡稱PCRT）,。

PCRT是一種在AM研究中顯示出巨大潛力的方法,。它是一種全身檢查方法，所使用的部分共振,，也稱為固有頻率技術(shù),，對整個部件的材料/完整性/尺寸條件非常敏感。該技術(shù)可用于識別結(jié)構(gòu)不同的部件（這些結(jié)構(gòu)會對部件的性能或材料特性產(chǎn)生不利的影響）,。它使用統(tǒng)計處理和模式識別工具來分辨不合格的零部件,，既屬于內(nèi)部檢查，也是外部檢查技術(shù),。

PCRT檢測數(shù)據(jù)可用于在構(gòu)建后監(jiān)控每個部件,，以確保其是否符合給定的可接受范圍或公差，或者可以“教導(dǎo)”它檢測特定的缺陷類型,，甚至可以檢測樣品中的模擬缺陷,。PCRT分析可以通過實例來學(xué)習(xí)，例如可接受的部分變化和不可接受的缺陷條件,，如孔隙率或熔融不充分等,，或者可以建模用于預(yù)測響應(yīng)，然后可以將那些建模的響應(yīng)編程到檢測算法中,，從而使檢測人員可以非�,？焖俚貦z測已知的結(jié)構(gòu)問題。

過程補償共振技術(shù)在增材制造技術(shù)中的使用,；圖片來源：Vibrant

雖然PCRT能夠報告哪些樣品與標(biāo)稱參考樣品有所不同,，但這種技術(shù)一般不能用于定位、定量尺寸或表征缺陷,。PCRT可用于隔離同一構(gòu)建板內(nèi)具有使用DR和CT技術(shù)可能無法檢測到的單層缺陷的部件,。

在一些增材制造研究中，PCRT已經(jīng)用于檢測AM產(chǎn)品中不可接受的孔隙率,、裂縫,、熔融不充分的地方等缺陷,，此外，這還是一個相對快速的過程,。每個部件的測量時間為30秒至3分鐘,，因此可用作100％檢測,。它不需要使用化學(xué)品,，也不會產(chǎn)生能源和材料浪費。PCRT的檢測對象是單個打印組件,，需要從構(gòu)建板上移除后再進行,。

PCRT檢測已用于具有復(fù)雜幾何形狀的商業(yè)航空航天應(yīng)用中，在提高了部件可靠性的同時,，還降低了檢查和部件更換的成本,，并且可能開啟增材制造產(chǎn)品檢查的未來和希望。

結(jié)  語
目前常用的一系列檢查方法都不能提供所需的單個部件驗證,，工業(yè)界目前依賴的是假定具有代表性的拉伸樣品,，來確認零件批次材料是否符合要求。現(xiàn)在,，PCRT能夠滿足這些需求,，為生產(chǎn)就緒的產(chǎn)品提供100％檢測選項，包括量化檢測結(jié)果,、支持過程監(jiān)控,、質(zhì)量保證和持續(xù)改進等。

作者：Gregory James Weaver
譯自：qualitymag
譯者：Vince