1.增材制造
当前，增材制造技能已经成为工业生产中最有活力和出息的技能之一。与传统的机器制造技能采取减材办法比较，增材制造技能具有周期短、无模具、柔性高、不受材料和零件构造限定等一系列优点，在汽车、医疗、电子、军工、航天航空等领域得到了广泛运用。通过采取蜂窝、晶格或其它的繁芜构造，还可以优化工件的重量和功能参数及减少壁厚等。对付所有的新技能而言，质量掌握是一个非常关键的问题。目前为止，对付增材制造技能质量掌握问题的研究还不足深入，而无损检测是提高增材制造质量掌握水平的关键技能。本文对增材制造过程中的毛病类型进行了总结，指出了增材制造过程中的无损检测技能需求，通过总结各种无损检测技能的优缺陷得出了激光超声技能的运用潜力。
2. 增材制造技能的毛病类型
范例的增材制造工件如图2所示。增材制造按工艺过程可以分为质料、制备过程中、制备完成后和服役过程四个阶段，每个阶段中都可能存在不同类型的毛病，须要检测的内容也不尽相同。原估中须要检测的紧张内容包括粉末尺寸、颗粒形状和形态、物理化学性子和材料供应等，制备过程中紧张的检测内容为应力状态、熔融状态、材料性能、零件扭曲、孔隙、残余应力(肃清外力或不屈均的温度场等浸染后仍留在物体内的自相平衡的内应力)、过熔深度和领悟质量，制备完成后紧张的检测工具为几何形状偏差、残余应力、产品各向异性、裂纹、气泡、夹杂、表面毛病、孔簇、嵌入较深的毛病和孔隙率(指块状材料中孔隙体积与材料在自然状态下总体积的百分比)，服役过程中形成的毛病紧张有表面毛病、裂纹和变形。激光增材制造中几种范例的毛病如图3所示。
个中，裂纹、气孔和孔簇等连续毛病最为危险，这些毛病常日存在于大部分工件中。相对付传统的铸造、铸造或模制零部件来说，增材制造工件的突出特点之一是其孔隙率更高。孔隙率的增加可能会降落零件的强度，局部的孔簇会导致服役中裂纹的形成，而微孔的存在常日决定了增材制造工件的动态性能(如疲倦) 。同时，由于部分区域的淬火引起局部金属偏析，导致在金属结晶过程中涌现特定的应力应变状态。较高的残余应力会导致变形、几何尺寸变革和微裂纹的形成，因此应力状态是增材制造过程中重点检测的内容。
3. 增材制造技能的无损检测需求
增材制造的工件常日是一次性的，并且制造本钱极其昂贵，因此传统的毁坏性试验常日无法用于增材制造工件的检测。同时，由于增材制造工件是一层层创建的，属性更加难以预测，这就对增材制造工件的质量检测提出了寻衅。从某种意义上来说，无损检测可以在不毁坏工件完全性和做事性能的条件下完成对工件的质量评估，可以知足增材制造工件的独特考验哀求。
全过程检测哀求将无损检测方法用于增材制造过程中熔融状态下金属材料的表征，这远比制备好的工件检测难度大，同时哀求检测过程不能干涉增材制造的加工过程。增材制造设备和工艺中需采取改进的无损检测传感器和掌握器以提高检测和掌握能力，供应实时的可见性并调节制造环境。在沉积过程中的实时检测和材料性能的确定，需能够提高合格零件的生产，使得增材制造生产的零件可以直接用于安装。
为了提高增材制造的工件质量，可能须要对全体系统实施闭环过程掌握，例如能够逐层监控零件并掌握或减轻零件的扭曲和残余应力，同时为每个增材制造工件供应详细的天生记录。过程掌握也可以扩展到制造之前的质料，并验证零件的微不雅观构造、几何形状和质量。由于在制造过程中，工艺参数偏离其最佳值可能会导致所加工工件的服役性能恶化，以是须要通过无损检测结果对增材制造工艺参数进行评价，评价的紧张参数例如：声发射方法打算的系统偏差和光学传感器来确定的熔池深度。
针对材料的无损评价紧张有五个方面的需求：质料无损检测、完成工件无损检测、毛病影响监测、设计产品数据库和物理参数参考标准。质料无损检测，例如金属粉末尺寸、颗粒形状、微不雅观构造、形态、化学身分分子和原子组成，这些参数须要被量化并终极评价其性能同等性；完成工件无损检测包括制造工件(无需进一步处理)和后处理工件(需进一步处理)，检测内容包括小尺寸孔隙、繁芜工件几何形状和繁芜的内部特色；毛病影响，用无损检测方法对完成工件中毛病类型、产生频率和尺寸进行表征，便于理解产品属性对付产品质量和性能的影响；设计产品数据库，一个微不雅观构造数据库可以编译阐明过程构造与性能之间的关系，包括每个过程中网络的图片或者照片，例如输入材料特性、原位过程监测及制造和后处理后完成天生的特色等；物理参数参考标准，目前缺少得当的全尺寸工件来评价增材过程中的无损检测方法的可行性，由于增材制造的零件几何形状繁芜、有嵌入较深的毛病、有不同的微不雅观构造(均与铸造比较)，无损检测必须创建校验仪器的物理参考标准。
在增材制造过程中，须要对可能产生的毛病进行实时监测，须要战胜表面描述和制备温度的影响，须要无损检测技能与制造过程进行集成而不影响增材制造工艺；加工完成的零件须要在验收阶段和利用寿命期间进行评估，确定其服役性能。此外，在零件的全体生命周期中，须要表征材料的微构造和形态，对原子和分子进行风雅丈量，表征内部应力状态等。总之，及时可靠的检测不同性子的毛病和监测这些毛病如何发展对付增材制造工艺具有主要的意义。因此，采取无损检测方法须要知足材料、设计以及测试需求，能够用于材料的全寿命周期，包括制造过程中优化、履行过程检测、生产后的质量验收以及服役过程中的质量监测。因此，增材制造的各个阶段对付无损检测都有明确的需求。
4. 增材制造技能中无损检测技能的发展
目前在无损检测方面的技能紧张包括：打算机断层扫描、渗透测试、涡流检测、超声检测和红皮毛机丈量。如图4所示是一种采取声发射办法监测3D打印的实验系统。
X射线检测在工业上有着广泛的运用，无疑可以用来检测增材制造零件的孔隙率、尺寸偏差和其他毛病。X射线入射角直接影响检测毛病的大小和形状，可以显示小于2%的样品厚度的毛病。打算机断层扫描可以对所有样品进行检测，而超声检测和渗透检测是针对工件表面。X射线打算机断层扫描具有检测内部毛病和内部特色的能力，可检测封闭孔和高密度夹杂物。同时，打算机断层扫描检测技能也具有一定的局限性，例如X射线的容积效应明显。同时，由于不能检测到垂直于X射线束的裂纹，导致其不能可靠的检测毛病。总体而言，X射线打算机断层扫描是一种强大的对增材制成品进行无损检测的技能，使得描述材料的构造、形状分布和毛病的定量尺寸成为可能。
增材制造的一个突出特点是比传统的铸造、铸造或模具成型零件具有更高的孔隙率，在这些零件中呈现不规则的粗糙表面，使得检测表面毛病的传统无损检测方法难以运用。渗透检测为表面检测技能，检测固体材料及其制件的表面与近表面毛病，用于检测不经由加工和抛光的多孔或者粗糙工件，难度较大，丈量位置较深的繁芜的内部构造或者晶格构造，须要更新更灵敏的非打仗无损检测方法。
Dinwiddie等人采取红皮毛机揭示了增材制造过程中孔隙、未领悟和外溅熔材等毛病。他们开拓的图像处理分外算法可以定量描述孔隙率，但是没有详细解释可检测的最小毛病尺寸。Gatto和Harris 用分辨率508像素/英寸的CMOS摄像头，安装在间隔事情面135 mm的位置，在合成过程中，摄像头采纳逐层拍照，然后通过专门开拓的算法处理，得到各层几何参数，层照片可以确定孔隙的几何尺寸以及打算横截面的形状偏差等。这种方法的局限在于，一方面只能剖析外部表面情形而无法检测内部，另一方面表面粗糙度会严重影响检测结果。
Guan等人采取EX1301迈克尔逊光学相关断层扫描系统评价选择性激光烧结的工件，其可以达到的三维图像的空间分辨率约为10 μm (比较之下X射线为50 μm)，同时可以检测中空、未粘合和表面粗糙度，如图5所示，但是这种方法无法检测大尺寸工件。Guan等人指出，光波的穿透深度取决于材料的接管和反射特性，并且背反射光波的空间相关性和韶光相关性会影响丈量精度，以是该技能只能运用于非金属材料。这种方法与X射线打算机断层扫描具有相同的灵敏度，但是光学层析技能可以用于逐层成长的过程检测。
Rudlin等人研究了涡流、激光超声、激光成像方法用于增材制造过程的检测。实际上，以上三种方法，都尚未用于制造过程的检测，仅能用于制备后的人工毛病检测，评估增材制造工件的近表面毛病。激光热成像的事理是采取红皮毛机针对样品中激光加热的部分进行实时热成像，揭示样品断面激光加热的不屈均性，该方法检测表面以下的毛病时灵敏度低，试验中只可靠地检测了一个直径为0.6毫米深度为0.2毫米的毛病。在0.5 mm以上的深度条件下，涡流技能的检测灵敏度为0.4 mm，而当检测近表面毛病时，激光超声和激光成像方法的灵敏度要低于0.2 mm ，如图6所示。
激光超声检测是一种可用于快速扫描的非打仗检测方法，利用超声在金相截面上横向和纵向的速率不同，可以表征样品中超声波传播的各向异性，若采取激光勉励干涉吸收，波前参数可用于确定近表面毛病的尺寸和深度，常日用于焊缝的毛病识别以确保管道和轨道的完全性，目前采取激光超声检讨金属样品粉末沉积的研究还较少。由于激光超声可以采取一个激光源产生强大的超声波脉冲，具有易于支配的波形和宽光谱范围，因此与压电勉励比较，其空间分辨率高3~10倍。同时，由于激光勾引超声脉冲不存在振荡，并且脉冲持续韶光比PZT缩短6~7倍，因此可以实现更高的分辨率和更高的灵敏度，盲区很小。目前，激光超声对付尺寸范围150~500 μm的不连续毛病，检测深度可达700 μm，但是当深度超过300 μm灵敏度明显减小，激光超声用于增材制造产品的孔隙率和各向异性检测的研究还很少。总之，激光超声用于增材制造的无损检测展现了较大的潜力，但还须要与制造过程进行集成，考虑利用这种方法对增材制造过程进行逐层实时监测。
此外，残余应力的测定方法可以分为物理测定法和机器测定法，机器测定法常日是毁坏性方法，例如切槽法钻孔法。可用于残余应力检测的无损检测方法紧张有磁性法、X射线衍射法及超声波法等。个中，磁性法是根据铁磁体饱和过程中应力与磁化曲线之间的变革关系进行测定，在一定范围内利用；X射线法理论完善，但存在射线侵害并且仅能测定表面应力及对特定位置的晶格畸变难以丈量，因此其运用受到很大限定；超声波法则是无损检测方法中最有发展前景的方法，具有快速、现场实测方便、既能测表面又能测内部残余应力等特点，尤其是激光超声技能具有更大的运用潜力。
5. 增材制造无损检测技能的展望
无损检测在增材制造中的运用存在许多问题，无损表征须要描述的内容有小尺寸孔隙、固有缺陷、繁芜几何尺寸和繁芜的内部特色等，NASA还没有完备接管增材制造的一个紧张缘故原由是目前增材制造过程中仍缺少足够的无损评价手段。
对付材料和产品毛病，无损检测方法中的原位检测目前还不健全，例如对材料沉积和实时丈量的高速成像，对不连续的热梯度、空隙和夹杂物的原位检测。此外，目前的掌握方法，对付增材制造工件的微不雅观构造等，无法实现传感器的反馈掌握。若想办理运用中的这些问题，就必须使开拓和履行原位无损检测技能，确保最大程度上检测材料毛病。由无损检测方法测得的工艺参数可能包括在线传送、送粉密度、变形、残余应力、构造身分、接管功率，裂纹和孔隙等。
阻碍无损检测技能作为一种原位检测工具运用的难点在于：
1) 快速融化和冷却，使得实时监测眇小毛病十分困难，
2) 任何无损检测方法都必须坚持增材制造环境所需的条件，如室内气压和激光保护安全系统，
3) 大部分增材制造设备的设计不易于集成NDE传感器，必须采纳预防方法确保无损检测传感器的插入不影响增材制造加工，
4) 大多数增材制造设备无法开放掌握。
总之，对增材制造技能的无损检测研究还有许多事情要做，增材制造技能本身毛病的特色及形成机理还须要积累，针对这些毛病的无损检测技能运用及增材制造设备和无损检测设备的集成都存在大量的问题须要研究。目前，增材制造设备存在的关键障碍是现有的无损检测方法和技能无法用于增材制造材料检测和制造过程中的零件检测，或者是无法用于原位检测。同时，采取传统的无损检测技能对增材制造完成的零件进行检测，仍旧很具有寻衅性。
6. 结论
增材制造技能工艺过程的各个阶段都对无损检测提出了明确的哀求，缺少足够的无损检测手段是阻碍增材制造技能进一步广泛运用的关键缘故原由。目前存在的紧张问题，一方面是无损检测技能本身的运用局限性，另一方面是增材制造和无损检测设备的集成问题。
除了增材制造过程中可能存在的毛病外，残余应力也是一个须要重点监测的工具。在浩瀚的无损检测手段中，激光超声技能无论是对付残余应力的检测，还是对增材制造毛病的检测都最具有运用潜力。
基金项目
山东省自然基金(ZR2017QEE002)；山东省创新型家当集群项目(2016ZDJQ0401)；国家安全生产重大事件防治关键技能科技项目(2017GC10268)。
作者：陈建伟，赵扬，巨阳，刘帅，马健
