深度解析增材制造技術及其檢測難點
發表時間：2018年10月23日瀏覽量：
傳統的無損檢測方法，在檢測增材制造技術制備出的零部件，與檢測其他加工技術制備的零件方面有很多相似之處。但是，或多或少，增材制造技術的興起仍然對無損檢測技術帶來了一定的挑戰。 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中被制造及應用，其應用領域非常廣泛，包括普通玩具、模具，甚至到人體器官等。現在這一切都可以利用3D打印（增材制造）技術打印出來。在本文中，我們將重點關注增材制造技術在航空航天和發電方面的應用，許多人正就這些方面的一些難題不斷在努力設計和創造一些創新的解決方案。  現在，考慮到增材制造技術正在生產的產品具有更加獨特和高度優化的形狀，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計和工藝參數的重要組成部分。例如，我們需要真正了解當前的檢測現狀，以及未來可能需要檢測的地方。  增材制造技術 首先，增材制造（AM）技術不僅僅是一種技術，而是指一類技術。AM（通常被稱為3D打印技術）分為兩大類：粉末層熔化（PBF）和直接能量沉積（DED）。這兩大類技術中都分別包括了一些其他分類技術。 PBF 直接金屬激光燒結（DMLS） 選擇性激光燒結（SLS） 選擇性激光熔融（SLM） 電子束熔融技術（EBM） DED 鎢極氣體保護電弧技術（GTA） 等離子弧技術（PA） 氣體保護焊技術（GMA） 等離子弧技術（PTA） 激光束技術（LB） 電子束自由技術（EBF） 在深入了解這些技術之前，我們先了解一下PBF和DED這兩類技術的差別。 對于PBF技術，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。當該平面完成后，系統將索引到下一個平面并重復該過程。這種情況一直會持續到組件完全構建完畢。在PBF技術中，沉積平面固定在x和y軸上，并且只有當構建平面完全完成時才會在z軸上移動。  既然我們已經知道了AM技術是如何工作的，那么您肯定可以想象出這種技術相比于鑄造和鍛造方法的許多優勢。例如，在沒有模具的情況下，AM技術可以在許多方向上構建零件，包括形狀非常復雜的零部件，同時還可以構建出不同設計的某一部分，還可以是多部分合并制造。這種制造技術具有無限的可能，因此我們需要確保也具有對所生產部件進行高質量檢查的能力。 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，零件通常需要經過視覺、尺寸、外部和內部測試以及相關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構合并到單個的新設計中。由于AM已經被廣泛接受，檢驗界需要跟上，并確保產品的完整性保持在最高質量水平上。 
非金屬增材制造技術
前面已經提到，AM產品在一些方面需要經過與鑄件和鍛件相同的檢查，現在我們來看看這些檢查的細節。典型的外表面檢查包括：熒光液體滲透檢測技術（PT）、視覺檢測技術（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、坐標測量機（CMM）和白色/紅色/藍色光掃描儀來完成。典型的內部檢查則包括射線照相檢測技術（RT）、電磁檢測技術（ET）、超聲波檢測技術（UT），在有些情況下還會使用計算機斷層掃描技術（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，具體則取決于系統和材料。這種差異就決定了為什么必須重視AM產品的檢查，并將一些可能不同的重點放在專門的檢查上。  在了解了這些特定檢測方法的局限性后，大多數增材制造供應商們已經轉向使用射線照相內部檢查方法。射線照相法檢測（RT），尤其是數字RT（DR）和計算機斷層掃描技術是目前許多AM制造商的首選方法。這些檢測技術既可用于檢測產品的嚴重缺陷，也可用于確認其內部的幾何形狀。其中CT技術還能夠進行幾何驗證，而DR技術在粗略缺陷檢測方面更有優勢。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。 逐層構建/打印AM部件會引入不連續性特征，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鍵的因素。DR和CT技術具有不同的靈敏度，可適用于AM產品中產生的較大缺陷，但是構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技術檢測結果的解釋變得非常主觀且不可靠。較厚的墻壁、內部空腔、半徑和簡單的平面都是限制傳統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，而內部射線檢查由于分辨率差也非常受限。大多數公司以前都使用經過破壞性測試的冶金樣品來驗證每個構建產品的完整性。然而，雖然在相同條件下，這些樣品與整個產品構建在同一構建板上，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 我們現在知道了大多數行業在當前標準技術下所面臨的問題。現在需要的是一種能夠定量檢測和評估每個AM生產部件的檢查方法，該方法需要由部件的結構完整性驅動。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（簡稱PCRT）。    
過程補償共振技術在增材制造技術中的使用；圖片來源：Vibrant
雖然PCRT能夠報告哪些樣品與標稱參考樣品有所不同，但這種技術一般不能用于定位、定量尺寸或表征缺陷。PCRT可用于隔離同一構建板內具有使用DR和CT技術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已經用于檢測AM產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。它不需要使用化學品，也不會產生能源和材料浪費。PCRT的檢測對象是單個打印組件，需要從構建板上移除后再進行。  結 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。現在，PCRT能夠滿足這些需求，為生產就緒的產品提供100％檢測選項，包括量化檢測結果、支持過程監控、質量保證和持續改進等。 作者：Gregory James Weaver 譯自：qualitymag 譯者：Vince |
