國(guó)外先進(jìn)增材制造無(wú)損檢測(cè)技術(shù)調(diào)研分析

航空航天領(lǐng)域?qū)α悴考�的精�?zhǔn)性有較為嚴(yán)格的要求，而增材制造技術(shù)能較好地制造這些零部件，因此該技術(shù)在航空航天領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，用于傳統(tǒng)制造零部件的破壞性試驗(yàn)無(wú)法用于增材制造的制件，因?yàn)樗鼈兺�往是一次性的，而且制造成本極其昂貴的。此外，由于增材制造的制件是一層層創(chuàng)建的，屬性更加難以預(yù)測(cè)。

增材制造零部件的獨(dú)特性給產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)帶來(lái)了挑戰(zhàn)，而它正好適合使用NDE，對(duì)于那些具有復(fù)雜幾何形狀的零部件很難通過(guò)傳統(tǒng)手段進(jìn)行檢驗(yàn)。而NDE能夠滿足增材制造部件所有獨(dú)特的檢驗(yàn)要求。

通常未完成的增材制造部件表面會(huì)比較粗糙，并且需要拋光。即使是X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)（CT），雖然非常適合評(píng)估部件的深層內(nèi)部特征和屬性，但仍有其局限性，即不能檢測(cè)出垂直于x射線束的裂紋。然而NDE的方向是可行的，因?yàn)樗鼉?yōu)化了復(fù)雜增材制造部件的測(cè)試，并能實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，同時(shí)由于其非入侵的方式，又具有潛在的成本效益與廣泛的適用性。


NASA增材制造NDE

NASA擁有豐富成功的增材制造技術(shù)應(yīng)用，如創(chuàng)建首個(gè)船底座星云的完整三維模型，通過(guò)3D模型來(lái)獲取其相關(guān)信息。

如向國(guó)際空間站運(yùn)送高性能3D打印機(jī)，開(kāi)始執(zhí)行太空3D打印任務(wù)。NASA將使用3D打印機(jī)在軌道上制造對(duì)象，終極研究目的是在太空中3D打印出整個(gè)衛(wèi)星。

- 增材制造關(guān)鍵技術(shù)和測(cè)量挑戰(zhàn)

- 增材制造制件質(zhì)量評(píng)定

NASA在無(wú)損檢測(cè)方面的主要技術(shù)包括：

· CT測(cè)量Computed Tomography

上圖中，左圖為索引接縫的上內(nèi)壁計(jì)算機(jī)斷層圖像，右圖為Ti-6AL-4V ASTRO-H絕熱制冷部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

上圖為通過(guò)直接金屬激光燒結(jié)技術(shù)制成的Pogo-Z擋板，RS-25 / J2-X噴嘴，噴油器和閥體的計(jì)算機(jī)斷層掃描圖像。

上圖為一個(gè)直接金屬激光燒結(jié)鋁計(jì)背部攝影圖（左）和計(jì)算機(jī)斷層攝影圖像（右）。

以上三圖表明 CT測(cè)量能夠檢測(cè)模擬內(nèi)部缺陷，以及無(wú)法訪問(wèn)的內(nèi)部特征。

上圖為Ti-6Al-4V拉伸試樣及其熱等靜壓的GRC計(jì)算機(jī)斷層掃描圖像。

CT測(cè)量技術(shù)的限制性因素是：由于不能檢測(cè)到垂直于X射線光束的裂紋，導(dǎo)致其不能可靠的檢測(cè)缺陷。


· 滲透測(cè)試Penetrant Testing

依據(jù)最新獲得、具有代表性的NDE數(shù)據(jù)的調(diào)查資料，從中可以獲得了NDE的一些優(yōu)點(diǎn)和限制以及需要加以解決和推進(jìn)的具體技術(shù)挑戰(zhàn)。例如，相對(duì)于傳統(tǒng)的鍛造、鑄造或模制零部件來(lái)說(shuō)，增材制造制件的突出特點(diǎn)之一是其孔隙率更高。

這些制件中不規(guī)則或粗糙的表面，使得用于檢測(cè)表面缺陷的傳統(tǒng)無(wú)損檢測(cè)方法，難以甚至不可能完成對(duì)增材制造制件的檢測(cè)。例如， Ti-6AL-4V試樣的PT和Pogo-Z baffle的加工表面表明，PT可能不是對(duì)沒(méi)有經(jīng)過(guò)特殊后處理（加工和拋光）的增材制造制件中多孔或粗糙的部位進(jìn)行檢查的一個(gè)現(xiàn)實(shí)的方法（參見(jiàn)以下兩圖）。

上圖為，液體火箭氣態(tài)氫/液態(tài)氧（GH2/ LOX）噴射器中正在開(kāi)發(fā)的Ti-6AL-4V的滲透試驗(yàn)（左），和一個(gè)Pogo-Z的擋板（右）。從上圖可知由于表面粗糙度導(dǎo)致背景噪聲較高。

上圖為Ti-6AL-4V ASTRO-H絕熱冰箱組件中，可變背景滲透跡象的光學(xué)成像（左）和滲透跡象的光學(xué)成像（右）。

同樣地，了解如何衡量位置較深或無(wú)法訪問(wèn)的缺陷的復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)/晶格結(jié)構(gòu)，將是一個(gè)艱巨的任務(wù)。很顯然，需要更新的，更靈敏的，并且非接觸式NDE方法來(lái)克服該問(wèn)題，即限制了與CT互補(bǔ)技術(shù)的效力，如PT，ET和UT。


· 渦流檢測(cè)Eddy Current Testing

對(duì)增材制造制件的可接觸部分進(jìn)行渦流檢測(cè)，應(yīng)被證明其和傳統(tǒng)加工方式制造的金屬非常相似。對(duì)于ET中的任何金屬組件，表面光潔度和晶粒結(jié)構(gòu)在發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵缺陷中發(fā)揮了巨大的作用。

· 結(jié)構(gòu)光Structured Light

在增材制造過(guò)程中，考慮到幾何形狀和屬性在連續(xù)層的沉積過(guò)程中可能出現(xiàn)變化的可能性，對(duì)這兩部分的均勻性和尺寸的控制顯得極其重要。一個(gè)已出現(xiàn)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)——結(jié)構(gòu)光，其可用于驗(yàn)證制件的精確度。

上圖為Pogo-Z baffle的結(jié)構(gòu)光特征。

· 超聲掃描

· 原位過(guò)程監(jiān)控近紅外相機(jī)測(cè)量

在控制和反饋領(lǐng)域中領(lǐng)先的成果中使用的近紅外成像和機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，正被用于改善EBF3的質(zhì)量。其優(yōu)勢(shì)包括用于測(cè)量的商用NIR相機(jī)的溫度校準(zhǔn)和表征焊接熔池特性。此外，其先進(jìn)性還體現(xiàn)在用于提高焊接形狀一致性的多種方法，比如，多臺(tái)攝像機(jī)，實(shí)時(shí)跟蹤和反饋算法。這些系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)能夠改善不銹鋼直壁樣品的一致性。已證實(shí)，在制造過(guò)程中使用經(jīng)校準(zhǔn)的近紅外相機(jī)，能夠檢測(cè)到制件的缺陷。

GE增材制造NDE

· 紅外脈沖熱成像Infrared pulse thermography

紅外脈沖熱成像是一種用于檢測(cè)缺陷的方法，依據(jù)具體的樣品和情況，能夠進(jìn)行快速和準(zhǔn)確的評(píng)估。紅外脈沖熱成像涉及閃光燈，閃爍產(chǎn)生的極熱會(huì)進(jìn)入試樣，從而被用作熱源。并且當(dāng)熱擴(kuò)散通過(guò)試樣時(shí)，使用紅外照相機(jī)以檢測(cè)任何溫差。試樣缺陷區(qū)域的熱響應(yīng)，與沒(méi)有缺陷的區(qū)域是不同的；紅外攝像機(jī)足夠敏感，能夠檢測(cè)到這些差別。

· CT掃描

GE使用的CT掃描儀是phoenix v|tome|x m300 CT scanner。

CT掃描使用一系列二維X射線圖像來(lái)重建三維部分。在CIMP-3D的掃描儀，該部分被放置在一個(gè)轉(zhuǎn)盤中的機(jī)器的中間。X射線投影，在機(jī)器的右側(cè)，通過(guò)部分照射X射線回到在左側(cè)的傳感器。固體份方框X射線，在傳感器上產(chǎn)生的陰影，其結(jié)果是一個(gè)灰度圖像，其中暗的區(qū)域與固體物質(zhì)和光區(qū)對(duì)應(yīng)與空的空間相對(duì)應(yīng)。

一旦數(shù)據(jù)被捕獲，它裝入一個(gè)單獨(dú)的工作站進(jìn)行重建。數(shù)據(jù)需要被處理，需要處理的數(shù)據(jù)量是驚人的。一旦改造完成后，負(fù)責(zé)CIMP-3D的CT掃描的研發(fā)工程師能做到建成的部分的可視化分析，檢查它的空隙和漏洞。已建成的模型也可以在作為設(shè)計(jì)的模型之上重疊，允許偏差容易地量化。該模型也可以在任何方向逐層探索。

延伸閱讀：《3D打印制品的無(wú)損檢測(cè)現(xiàn)狀與展望》

南極熊，3D打印專業(yè)媒體平臺(tái)。點(diǎn)擊進(jìn)入網(wǎng)址http://m.lhkhtyz.com/

來(lái)源：3D科學(xué)谷