3D打印無損檢測現(xiàn)狀

3D打印技術(shù)，即增材制造技術(shù)的出現(xiàn)被認(rèn)為是21世紀(jì)機(jī)械制造工業(yè)領(lǐng)域中的一次跨時(shí)代的工藝技術(shù)革新,，給現(xiàn)代社會(huì)帶來了巨大的沖擊和震撼,。與傳統(tǒng)機(jī)械制造技術(shù)，即減材制造技術(shù)(如切削加工)及等材制造技術(shù)(如鍛造,、鑄造,、粉末冶金)相比，3D打印技術(shù)有許多無法比擬的優(yōu)勢,。但是,，3D打印制品也會(huì)出現(xiàn)很多缺陷,，要想在不破壞制品的情況下控制其質(zhì)量，這個(gè)時(shí)候就該無損檢測大顯身手了,。

1,、3D打印制品無損檢測的現(xiàn)狀

3D打印制品在制備和使用過程中，某些缺陷的產(chǎn)生和擴(kuò)展是無法避免的,。2000年,，美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室、英國伯明翰大學(xué)以及曼徹斯特大學(xué)分別在TC4及316L不銹鋼激光快速成形件內(nèi)部,，觀察到了氣孔及融合不良缺陷,。因此，對(duì)該技術(shù)制造出的零件表面及內(nèi)部質(zhì)量檢測和驗(yàn)收評(píng)定的關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展的好壞,，直接制約了該技術(shù)在工程上的應(yīng)用前景,。

目前，國內(nèi)外的科研人員已對(duì)該方面的應(yīng)用開展了一些的工作,，主要集中在研究內(nèi)部缺陷的特征和形成原因,，但是還未能完整地有機(jī)形成一個(gè)系統(tǒng)，后續(xù)還有許多工作需要我們?nèi)ネ七M(jìn)完成,。

研究表明,，根據(jù)3D打印材料中缺陷形成的不同特征，歸納出3D打印中產(chǎn)生缺陷的主要原因有兩方面：

① 材料特性導(dǎo)致的缺陷,，它由材料特性導(dǎo)致的無法通過優(yōu)化3D打印特征參數(shù)予以解決的缺陷,，主要為氣孔；
② 特征參量導(dǎo)致的缺陷,，即在3D打印中,，由于工藝參數(shù)或設(shè)備等原因?qū)е碌娜毕荩�可以稱之為特征參量導(dǎo)致的缺陷,，主要有孔洞,、翹曲變形、球化,、存在未熔顆粒等,。

2007年，西北工業(yè)大學(xué)的研究人員對(duì)3D打印鈦合金制品的缺陷形成機(jī)理作了進(jìn)一步研究,。發(fā)現(xiàn)氣孔的形成取決于粉末材料的特性（主要是指粉末的松裝密度）,，形成的氣孔形貌呈球形，它以隨機(jī)性分布在材料中,；粉末的流動(dòng)性和氧含量對(duì)氣孔的形成沒有影響,；熔合不良形成取決于成形特征參量是否匹配，其中最主要的影響因素是能量密度,、多道間搭接率以及Z軸單層行程,；其形貌不規(guī)則,，內(nèi)壁粗糙，多呈帶狀分布在層間或道間的搭接處,。

2011年,，華中科技大學(xué)的研究人員就選擇性激光融化成形不銹鋼零件性能中粉末特性的影響做了細(xì)致研究,。發(fā)現(xiàn)粉末的粒度,、形狀及粉末中氧的質(zhì)量含量對(duì)零件成形質(zhì)量均有較大影響。在一定范圍內(nèi),，粒度越小,，成形件致密度越高，但太小的粒度將影響粉末的流動(dòng)性,，反而降低制件成形質(zhì)量,。

2011年，尚曉峰等人通過從工藝參數(shù),、設(shè)備性能和材料特性等方面來研究制品中形成的缺陷,，發(fā)現(xiàn)送粉延遲會(huì)造成欠堆積或過堆積的形成，直接造成成形尺寸精度下降,；比能量是產(chǎn)生粘粉的根本原因,，不同比能量會(huì)產(chǎn)生不同的冷卻速度，比能量越高,，冷卻速度越快,。冷卻速度過快，會(huì)造成粉末顆粒熔化不充分,，未熔化的粉末顆粒粘附在成形件表面或側(cè)壁上,，降低了成形件表面質(zhì)量。

2013年,，西班牙加泰羅尼亞理工大學(xué)的研究人員采用高頻（45MHz）自動(dòng)水浸超聲技術(shù)對(duì)金屬粉末材料的密度,、裂紋和未熔合的探測與表征做了研究測試。研究表明超聲檢測不僅能夠用于3D打印制品內(nèi)部質(zhì)量檢測和在役檢測,，還可以發(fā)展成為一個(gè)可靠的質(zhì)量論證工具,；甚至可作為3D打印制造工藝研究的輔助工具，指導(dǎo)其技術(shù)升級(jí)與創(chuàng)新,。

2014年,，澳大利亞莫納什大學(xué)的研究人員使用多色X射線技術(shù)，對(duì)選擇性激光熔融的哈斯特洛伊耐蝕鎳基合金制品進(jìn)行了射線檢測靈敏度試驗(yàn)研究,；研究表明射線檢測的分辨率不僅與材料的厚度有關(guān)還與缺陷的位置有很大關(guān)系,；對(duì)于2mm厚度的該類制品，射線檢測的分辨率為0.2mm,，對(duì)于10mm的厚度則不到2mm,。

2,、3D打印制品無損檢測的展望
（1）3D打印的原材料檢測
3D打印的原材料為粉體或絲材，其形態(tài)與傳統(tǒng)板材,、棒材,、鍛件等有較大區(qū)別；因此,，其理化特性的測試檢驗(yàn)項(xiàng)目與傳統(tǒng)減材加工技術(shù)的原材料有很大的不同,，諸如力學(xué)性能、金相組織等項(xiàng)目無法進(jìn)行,。除化學(xué)成分分析外,，粉體材料應(yīng)著重關(guān)注其粒度、粒度分布,、形貌及顆粒中的空隙等參量,。

（2）3D打印制品的超聲檢測

無損檢測的方法不僅僅局限于材料內(nèi)部缺陷的檢測與表征，還可實(shí)現(xiàn)材料的密度,、彈性參數(shù),、孔隙率、殘余應(yīng)力分布以及其內(nèi)部各種非連續(xù)性等方面的無損測試與表征,；整個(gè)過程可實(shí)現(xiàn)快速,、無損、原位的結(jié)果,，對(duì)縮短材料的研發(fā)與生產(chǎn)周期和成本有積極意義,。

例如：在制備過程中使用超聲檢測來實(shí)時(shí)監(jiān)控3D打印制品中殘余應(yīng)力的分布，防止其翹曲和開裂,；在產(chǎn)品的研發(fā)階段,，使用超聲檢測結(jié)合數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)可以為制品提供其相應(yīng)的密度、彈性參數(shù),、孔隙率,，指導(dǎo)產(chǎn)品研發(fā)工藝的提高與升級(jí)，為制備出樣品出更高質(zhì)量的3D打印制品發(fā)揮出“燈塔”作用,。

由于3D打印材料晶界組織的微小化,，必須對(duì)超聲檢測的相關(guān)條件進(jìn)行提高和拓展，超聲檢測走向高頻化和定量化的趨勢將更加明顯,。

（3）3D打印制品的射線檢測

射線檢測對(duì)于復(fù)雜構(gòu)件的檢測有著天然的優(yōu)勢,，基于這一點(diǎn)上，射線在3D打印制品的檢測上必將承擔(dān)更加重要的角色,，未來,，配合高分辨率的工業(yè)CT和DR技術(shù)，射線檢測在3D打印的發(fā)展中將發(fā)揮更大的作用。

未來工業(yè)射線技術(shù)在3D打印的應(yīng)用中,，將集數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展于一體,，在具有突出檢測結(jié)果顯示直觀化優(yōu)勢的同時(shí)，還將融入邊緣增強(qiáng)或平滑技術(shù),，以改善影像的細(xì)節(jié),，并能進(jìn)行圖片降噪、灰階對(duì)比度調(diào)整,、偽彩色處理等,，可提高制品內(nèi)部不連續(xù)性的檢出率。

另外,，在物理建模上也需要投入力量,，通過構(gòu)建相關(guān)的物理模型研究射線在3D打印材料中的作用機(jī)理,，借助現(xiàn)在的DR技術(shù),，開展更加客觀的定量化研究，表征制品內(nèi)部的殘余應(yīng)力分布水平,、材料的孔隙率等,，綜合評(píng)估出材料的質(zhì)量水平。

由于目前專門針對(duì)3D打印樣品的射線檢測應(yīng)用還很少,，對(duì)其主要的評(píng)價(jià)手段和方法還在沿用其它同類鍛件或鑄件的檢測工藝,，故發(fā)展和開拓這方面的研究具有十分重要的意義。

在檢測工藝上,，需要充分結(jié)合樣品的制造工藝,，針對(duì)其特殊性構(gòu)建出一套與之匹配的檢測方法和體系。在使用和驗(yàn)收等級(jí)方面,，需要考慮到其微觀組織的特殊性,，調(diào)整各個(gè)方面的驗(yàn)收參數(shù)。

（4）3D打印材料微區(qū)的無損評(píng)估

為了確保3D打印制品的可靠性,，研究和制備過程中需要充分地分析3D打印制品的材料性能以及進(jìn)一步了解材料微區(qū)的結(jié)構(gòu)和性能,、微區(qū)再結(jié)晶、Kirkendall空穴,、成形過程內(nèi)應(yīng)力演化行為規(guī)律,、內(nèi)部組織形成規(guī)律、內(nèi)部缺陷和損傷形成機(jī)理,。因此,，發(fā)展分辨率優(yōu)于微米量級(jí)的微米、納米尺度上的無損評(píng)估技術(shù),，進(jìn)行材料微區(qū)的力學(xué),、電學(xué)、磁學(xué)和熱學(xué)等特性的三維成像和評(píng)估，是聲學(xué)和其它學(xué)科共同的任務(wù),。

（5）3D打印制品的早期損傷評(píng)估

3D打印制品的早期損傷評(píng)估也將是無損檢測技術(shù)發(fā)展的一個(gè)方向,，作為制造過程和狀態(tài)預(yù)測的一部分，損傷評(píng)估技術(shù)直接影響到整個(gè)裝備系統(tǒng)的安全運(yùn)行,。這就要求我們在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上開發(fā)出穩(wěn)定性和靈敏度更高的儀器與設(shè)備,，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程評(píng)價(jià)。

此外,，我們還應(yīng)該注意到在健康監(jiān)測方面的應(yīng)用與“大數(shù)據(jù)”技術(shù)進(jìn)行結(jié)合,，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程的無損監(jiān)測，將各種損傷扼殺在“搖籃”當(dāng)中,。

來源：《無損檢測》2016年第38卷第6期
本文作者：凌松,，上海材料研究所助理工程師