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嘉峪檢測(cè)網(wǎng) 2024-10-17 18:43
增材制造技術(shù)是一種利用逐層累加材料的方式把數(shù)字化設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為三維實(shí)體零件的顛覆性先進(jìn)制造技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的生產(chǎn)，制造周期短，成型速度快，材料利用率高，對(duì)環(huán)境友好，已在航空航天、微納制造、生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域有突破性進(jìn)展和工程應(yīng)用。我國(guó)對(duì)增材制造行業(yè)高度重視，高校與企業(yè)產(chǎn)學(xué)研結(jié)合以及國(guó)家對(duì)增材制造技術(shù)的政策與資金支持促進(jìn)了增材制造產(chǎn)業(yè)的快速、健康發(fā)展。
由于金屬增材制造工藝的特殊性，其發(fā)展仍存在挑戰(zhàn)，不良的打印參數(shù)、原材料的不均勻性、增材制造過(guò)程多物理場(chǎng)耦合作用的特性等易導(dǎo)致制件質(zhì)量欠缺，對(duì)制件的性能和可靠性造成影響。
目前，國(guó)內(nèi)外積極開(kāi)展了金屬增材制造的檢測(cè)技術(shù)和質(zhì)量評(píng)價(jià)研究，在事后檢測(cè)、在線檢測(cè)以及質(zhì)量反饋控制方面有突破性進(jìn)展，對(duì)保證增材制造產(chǎn)品的質(zhì)量和性能、提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工藝能力具有深遠(yuǎn)意義。
1、金屬增材制造典型可檢特征
根據(jù)增材制造的成形原理，GB/T 35021—2018將增材制造工藝分為7類：立體光固化、材料噴射、黏結(jié)劑噴射、粉末床熔融、材料擠出、定向能量沉積、薄材疊層。其中粉末床熔融（PBF）和定向能量沉積（DED）是金屬增材制造的常用工藝類型。
PBF使用電子束或激光束等熱源來(lái)熔化或燒結(jié)金屬粉末，常用的技術(shù)包括激光選區(qū)熔化（SLM）、激光選區(qū)燒結(jié)（SLS）、電子束選區(qū)熔化（EBSM）等。
DED將粉末或絲材形式的金屬直接加入由激光、電子束或電弧等熱源形成的熔池中同步熔化沉積，常用的技術(shù)包括電弧增材制造（WAAM）、激光近凈成形（LENS）等。
金屬增材制造過(guò)程涉及眾多影響制件質(zhì)量的因素，SPEARS等指出激光粉末床熔融的50個(gè)工藝變量會(huì)影響制件的質(zhì)量，參數(shù)選擇不佳時(shí)亦會(huì)導(dǎo)致打印過(guò)程不穩(wěn)定，極易誘發(fā)缺陷。
熔池狀態(tài)
熔池狀態(tài)是金屬增材制造主要的在線監(jiān)測(cè)對(duì)象，熔池的尺寸、溫度、飛濺、羽流等特征包含豐富的動(dòng)力學(xué)和時(shí)空演變信息，可用來(lái)深入挖掘不同工藝參數(shù)對(duì)成形過(guò)程的影響規(guī)律。飛濺物的典型特征如圖1所示，可分為金屬飛濺、液滴飛濺和粉末飛濺3類。
圖1 SLM制造CoCr合金過(guò)程的飛濺形成機(jī)理
氣孔
氣孔一般小于100 μm，形狀近似球形。氣孔的形成與材料本身特性具有強(qiáng)相關(guān)性，激光功率等打印參數(shù)不同所導(dǎo)致的溫度場(chǎng)變化和冷卻速率不一致也會(huì)影響到氣孔總量及其分布情況。
裂紋
裂紋是內(nèi)部殘余應(yīng)力導(dǎo)致的缺陷，一般包括固態(tài)裂紋、液化裂紋和凝固裂紋，如圖2所示。固態(tài)裂紋呈筆直狀且常有尖銳扭結(jié)；凝固裂紋可由上一層形成的液化裂紋擴(kuò)展而成，其晶胞和枝晶臂有明顯圓形特征。裂紋長(zhǎng)度大多在數(shù)十微米至數(shù)百微米，有時(shí)可達(dá)毫米級(jí)。
圖2 CM247LC中的裂紋缺陷
金屬增材制造快速熔化和冷卻過(guò)程中，熔池和凝固區(qū)域存在大溫度梯度，會(huì)導(dǎo)致零件中產(chǎn)生殘余應(yīng)力，從而誘發(fā)裂紋并使其擴(kuò)展。除溫度梯度外，冷卻過(guò)程中不同層間的熱膨脹和收縮趨勢(shì)不一致是產(chǎn)生殘余應(yīng)力的另一個(gè)原因。
匙孔孔隙
金屬的快速密集蒸發(fā)會(huì)對(duì)熔池產(chǎn)生反沖壓力，將周?chē)慕饘偃垡合蛳峦茢D，形成像鑰匙孔一樣的深窄空腔，通常稱之為匙孔。
高激光功率和低掃描速度會(huì)導(dǎo)致熔池形狀從淺而半圓的傳導(dǎo)模式過(guò)渡為深窄的匙孔模式。
匙孔的反復(fù)形成與坍塌過(guò)程中會(huì)形成氣泡，氣泡向熔池后側(cè)移動(dòng)的過(guò)程中產(chǎn)生收縮，再被推進(jìn)的凝固前沿端捕獲而無(wú)法及時(shí)排出，從而形成孔隙，該過(guò)程如圖3所示。
圖3 匙孔孔隙形成過(guò)程
未熔合
未熔合是增材制造過(guò)程中金屬粉末顆粒未完全熔化就凝固結(jié)合而產(chǎn)生的孔隙型缺陷，主要表現(xiàn)為制件層間結(jié)合不良或含有未熔化粉末，如圖4所示。
圖4 Ti-6Al-4V中的未熔合缺陷
未熔合缺陷通常由低熱源功率、高掃描速度、大供粉量等因素誘發(fā)，會(huì)嚴(yán)重降低層間結(jié)合力，制約制件的強(qiáng)度和性能。
上述可檢特征反映打印過(guò)程的穩(wěn)定性，其中裂紋、氣孔等缺陷會(huì)降低制件的力學(xué)性能，影響制件質(zhì)量和使用安全，因此需采取有效方法進(jìn)行檢測(cè)和質(zhì)量評(píng)價(jià)。
2、金屬增材制造檢測(cè)技術(shù)
按照檢測(cè)時(shí)序可以將金屬增材制造缺陷檢測(cè)類型分為事后檢測(cè)和在線檢測(cè)。事后檢測(cè)主要評(píng)估制件的最終質(zhì)量，常用超聲、CT等無(wú)損檢測(cè)技術(shù)；在線檢測(cè)主要是在金屬增材制造過(guò)程中，對(duì)熔池狀態(tài)、缺陷等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，期望及時(shí)檢出過(guò)程中出現(xiàn)的缺陷，為后續(xù)的工藝調(diào)整提供數(shù)據(jù)支持，避免材料的浪費(fèi)，節(jié)省生產(chǎn)成本。
事后檢測(cè)技術(shù)
No.1超聲檢測(cè)
里斯本理工大學(xué)LOPEZ等對(duì)電弧增材制造鋁試件進(jìn)行超聲檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了未熔合缺陷的定位；布魯斯托大學(xué)SEOW等采用超聲檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)電弧增材制造IN718合金的裂紋缺陷，研究裂紋對(duì)合金斷裂韌性的影響。
不過(guò)，常規(guī)超聲需要耦合劑的接觸式檢測(cè)特點(diǎn)導(dǎo)致點(diǎn)陣或鏤空結(jié)構(gòu)檢測(cè)的空間可達(dá)性不足，限制了其檢測(cè)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的能力，也受限于無(wú)法使用耦合劑的檢測(cè)場(chǎng)景。
為克服上述傳統(tǒng)超聲的限制性因素帶來(lái)的困難，眾多學(xué)者開(kāi)展了激光超聲檢測(cè)技術(shù)研究。激光超聲檢測(cè)技術(shù)具有非接觸、高分辨率、寬頻帶、可檢結(jié)構(gòu)復(fù)雜試件和不受限于空間區(qū)域的特點(diǎn)，為增材制造的高精度檢測(cè)帶來(lái)了契機(jī)。
武漢大學(xué)張俊團(tuán)隊(duì)提出了利用激光超聲檢測(cè)增材制件的孔隙率，利用SLM制備孔隙率在0.1%~5.7%的304L鋼試件，挖掘激光超聲表面波波速、峰值頻率和小波包能量與孔隙率的變化規(guī)律。
武漢大學(xué)李輝團(tuán)隊(duì)利用激光超聲檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)具有4個(gè)內(nèi)部孔缺陷的Ti-6Al-4V零件（SLM制造）進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖5所示，在B掃和C掃中都準(zhǔn)確識(shí)別出直徑為0.8 mm及以上的內(nèi)部孔缺陷，最后用XCT對(duì)激光超聲的結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。
圖5 Ti-6Al-4V制件缺陷和激光超聲檢測(cè)結(jié)果
中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院郭師峰團(tuán)隊(duì)使用激光超聲檢出SLM增材制造AlSi10Mg試件中半徑為0.3 mm、埋藏深度為0.5 mm的亞表面缺陷，提出了利用瑞利波圓形掃描的快速缺陷定位方法確定缺陷區(qū)域，結(jié)合三維合成孔徑聚焦技術(shù)實(shí)現(xiàn)成像，并使用高斯濾波對(duì)二維和三維圖像進(jìn)行處理從而得到了缺陷的精確形狀和尺寸。
No.2CT檢測(cè)
CT檢測(cè)技術(shù)能夠直觀顯示制件內(nèi)部情況，提供內(nèi)部缺陷的三維位置和尺寸，其在金屬增材制件氣孔、未熔合、裂紋缺陷的分布和量化方面表現(xiàn)優(yōu)異，被認(rèn)為是檢測(cè)復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬增材制件的有力工具。
近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用CT檢測(cè)技術(shù)開(kāi)展增材制件孔隙率和缺陷的定量分析。
2017年美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院的KIM等通過(guò)改變LPBF工藝參數(shù)獲得不同孔隙率的鈷鉻合金盤(pán)件，采用分辨率為2.44 μm、管電壓為155 kV和功率為10 W的XCT設(shè)備獲取XCT圖像，并將圖像閾值化以測(cè)量孔隙率。
2019年中國(guó)航空綜合技術(shù)研究所張祥春等使用工業(yè)CT檢測(cè)出SLM制件中寬度為0.05 mm的裂紋和直徑為0.1 mm的孔缺陷。
2022年伊朗阿米爾卡比爾技術(shù)大學(xué)DASTGERDI等使用分辨率為5 μm、管電壓為170 kV和功率為5.1 W的XCT設(shè)備拍攝SLS制造的316L鋼試件，比較了層厚分別為20 μm和40 μm、水平和垂直成形方向制造的試件內(nèi)部缺陷特征分布，發(fā)現(xiàn)垂直成形比水平成形的試件具有更大的孔隙，其中層厚為40 μm的垂直成形樣品的內(nèi)部孔隙體積最大。
華盛頓大學(xué)GHODS等使用分辨率為9 μm的μCT檢測(cè)重復(fù)利用回收粉末制造的Ti-6Al-4V柱件的孔隙率分布，可檢測(cè)出直徑20 μm至440 μm的孔隙，平均孔隙率為0.10±0.02%，得出重復(fù)使用粉末不會(huì)對(duì)電子束粉末床熔融制造的Ti-6Al-4V孔隙分布有顯著影響的結(jié)論，其檢測(cè)結(jié)果如圖6所示，可以看出CT檢測(cè)具有微米級(jí)高空間分辨率，能敏銳捕獲打印輸入?yún)?shù)變化導(dǎo)致的材料內(nèi)部狀態(tài)演變，已成為量化內(nèi)部缺陷的優(yōu)質(zhì)選擇。
圖6 粉末重復(fù)利用打印的Ti-6Al-4V孔隙率CT檢測(cè)
常規(guī)超聲適用于結(jié)構(gòu)不太復(fù)雜、表面形貌較好、不受耦合劑影響的金屬增材制件的表面和內(nèi)部缺陷檢測(cè)，激光超聲技術(shù)改進(jìn)了常規(guī)超聲的不足，是服務(wù)于增材制件缺陷識(shí)別的可行方案，不過(guò)材料各向異性和孔隙會(huì)使反射、透射信號(hào)在內(nèi)部傳播時(shí)出現(xiàn)不同程度的衰減，接收的模態(tài)波類型受限且易淹沒(méi)于噪聲中，加之激光超聲信號(hào)的多模態(tài)特性可能導(dǎo)致波形復(fù)雜混疊，因此根據(jù)信號(hào)不同的時(shí)頻特性準(zhǔn)確聯(lián)立不同缺陷類型，以及提高信號(hào)特征提取精度是激光超聲技術(shù)應(yīng)用于增材制造的關(guān)鍵問(wèn)題。
CT檢測(cè)覆蓋范圍廣、檢測(cè)結(jié)果直觀，有微米級(jí)的內(nèi)部缺陷表征能力。
上述事后檢測(cè)是在增材制造完成后進(jìn)行缺陷檢測(cè)和質(zhì)量評(píng)價(jià)的，結(jié)果具有滯后性，當(dāng)檢測(cè)出的缺陷數(shù)量過(guò)多或尺寸超過(guò)允許范圍，即代表質(zhì)量及性能不達(dá)標(biāo)，存在制件報(bào)廢的風(fēng)險(xiǎn)，提高了制件生產(chǎn)成本。
因此事后檢測(cè)雖可用來(lái)評(píng)估最終質(zhì)量以及探究不同工藝參數(shù)與成形件質(zhì)量的映射規(guī)律，但對(duì)于制件質(zhì)量只能被動(dòng)接受，無(wú)法主動(dòng)、及時(shí)地調(diào)整。
在線檢測(cè)技術(shù)
在線檢測(cè)技術(shù)是指在增材制造打印過(guò)程中利用傳感實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，提供打印信息全過(guò)程可追溯的記錄，在缺陷產(chǎn)生時(shí)能及時(shí)檢出，并停止打印或采取適當(dāng)措施修復(fù)；在打印質(zhì)量不穩(wěn)定時(shí)傳感數(shù)據(jù)能及時(shí)反饋給設(shè)備，指導(dǎo)增材工藝的及時(shí)調(diào)整。
國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)增材制造過(guò)程的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)和工藝調(diào)控的可能性展開(kāi)了技術(shù)探索，通過(guò)在線檢測(cè)手段及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷及尺寸精度等方面的問(wèn)題并及時(shí)調(diào)整工藝。
金屬增材制造過(guò)程是一種同時(shí)發(fā)生高能熱源與材料的交互作用、快速反復(fù)循環(huán)加熱和冷卻下的組織演化的復(fù)雜多物理場(chǎng)耦合的強(qiáng)非平衡冶金過(guò)程，過(guò)程中的熔池、溫度場(chǎng)、羽流及飛濺、聲波特性等特征量可以通過(guò)在線檢測(cè)設(shè)備收集，這些特征量的異常狀態(tài)與缺陷的形成有密切聯(lián)系。
其中熔池圖像包含了豐富的時(shí)空演變信息，結(jié)果較為直觀全面；溫度場(chǎng)、羽流及飛濺包含了動(dòng)態(tài)過(guò)程平穩(wěn)性信息；聲波特性可反映打印過(guò)程等離子體變化以及捕捉氣孔、裂紋等缺陷的形成和變化。
PBF和DED在線檢測(cè)設(shè)備集成的典型方案如圖7所示，用于監(jiān)測(cè)上述特征量的具有快速響應(yīng)特性的傳感設(shè)備包括高速相機(jī)、熱成像儀、光電二極管和聲學(xué)傳感器等。
圖7 金屬增材制造在線檢測(cè)設(shè)備集成方案
No.1紅外監(jiān)測(cè)
金屬增材制造過(guò)程中粉末分布和粉末層厚度會(huì)直接影響粉末的受熱熔化，激光功率、掃描參數(shù)也會(huì)影響成形過(guò)程的熱應(yīng)力，同時(shí)成形過(guò)程溫度梯度大、熔池溫度高且凝固迅速，這些因素都會(huì)影響制件的組織結(jié)構(gòu)和性能，因此研究熱狀態(tài)對(duì)監(jiān)測(cè)過(guò)程穩(wěn)定性和成形質(zhì)量起到關(guān)鍵作用。
利用紅外傳感捕捉成形過(guò)程的熱輻射可以揭示熱狀態(tài)的復(fù)雜變化，在熔池監(jiān)測(cè)方面，美國(guó)路易斯維爾大學(xué)聯(lián)合馬歇爾太空飛行中心使用熱成像儀監(jiān)測(cè)IN718粉末SLM制造過(guò)程的輻射溫度，將輻射溫度曲線沿掃描方向的液固相變用于計(jì)算熔池尺寸，揭示了掃描速度對(duì)熔池尺寸的影響規(guī)律。
北京理工大學(xué)劉戰(zhàn)偉團(tuán)隊(duì)搭建了紅外相機(jī)同軸測(cè)溫系統(tǒng)，用于監(jiān)測(cè)316L鋼不同打印條件下熔池溫度分布、輪廓、溫度梯度和冷卻速率特性，并分析不同能量密度下的平均溫度和峰值溫度分布。
在孔隙率監(jiān)測(cè)方面，美國(guó)圣母大學(xué)ESTALAKI等聯(lián)合密蘇里科技大學(xué)LOUGH等使用短波紅外相機(jī)記錄激光粉末床熔融制造304L鋼零件的溫度變化，將紅外相機(jī)數(shù)據(jù)與μCT數(shù)據(jù)融合生成孔隙度概率圖，結(jié)合深度學(xué)習(xí)模型預(yù)測(cè)孔隙率。
No.2可見(jiàn)光監(jiān)測(cè)
基于可見(jiàn)光的視覺(jué)監(jiān)測(cè)通過(guò)視覺(jué)傳感設(shè)備實(shí)時(shí)采集可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)的所需圖像，由于其檢測(cè)結(jié)果直觀、采集速度快、信息量充實(shí)，在增材制造成形過(guò)程中的熔池狀態(tài)、打印質(zhì)量以及孔隙率表征方面有廣闊應(yīng)用前景，并有和機(jī)器學(xué)習(xí)結(jié)合實(shí)現(xiàn)增材制造過(guò)程自動(dòng)特征提取和自動(dòng)缺陷識(shí)別的應(yīng)用趨勢(shì)。
意大利米蘭理工大學(xué)REPOSSINI等采用波長(zhǎng)為400~700 nm的CMOS元件的高速相機(jī)在線監(jiān)測(cè)激光粉末床熔融制造18Ni鋼掃描路徑上的飛濺特征，得出熔融不足狀態(tài)下產(chǎn)生的飛濺數(shù)量及空間分布與正常熔融狀態(tài)下相當(dāng)、過(guò)熔融狀態(tài)產(chǎn)生的飛濺數(shù)量比正常熔化狀態(tài)多，空間分布范圍更大且平均面積更小的結(jié)論。
北卡羅來(lái)納大學(xué)ZHANG等使用投影儀和相機(jī)組合測(cè)量PBF過(guò)程中粉末的平整度及表面質(zhì)量、熔融區(qū)域的平均下降高度以及飛濺的位置及尺寸。
華中科技大學(xué)王勝一團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種同軸高速相機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如圖8所示，其由13.68 μm像素分辨率的高速相機(jī)拍攝SLM制造316L鋼過(guò)程的熔池圖像并提取熔池面積等特征數(shù)據(jù)，結(jié)合深度置信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了三類孔隙率模式分類，該方法具有實(shí)時(shí)過(guò)程控制以減少孔隙缺陷的潛力。
圖8 用于熔池可見(jiàn)光監(jiān)測(cè)的集成高速相機(jī)的在線檢測(cè)系統(tǒng)
No.3X射線監(jiān)測(cè)
X射線監(jiān)測(cè)將射線能量注入增材制件中發(fā)生交互作用，利用膠片或傳感器收集結(jié)果并呈現(xiàn)為射線圖像，通過(guò)圖像分析成形過(guò)程中的組織結(jié)構(gòu)演變和缺陷。
最近的研究表明，原位同步輻射X 射線成像技術(shù)已被應(yīng)用于增材制造在線監(jiān)測(cè)，能夠捕捉熔池和匙孔孔隙的動(dòng)態(tài)變化。
2019年卡內(nèi)基梅隆大學(xué)CUNNINGHAM等利用同步輻射X射線成像技術(shù)監(jiān)測(cè)LPBF制造Ti-6Al-4V過(guò)程中熔池和匙孔的微觀演變，揭示了熔池傳熱行為從傳導(dǎo)模式到匙孔模式的過(guò)渡機(jī)制。
之后學(xué)者們深入研究了匙孔臨界不穩(wěn)定引起的氣孔形成過(guò)程，2020年清華大學(xué)趙滄團(tuán)隊(duì)通過(guò)高速同步輻射X射線成像技術(shù)監(jiān)測(cè)到，在激光與金屬相互作用過(guò)程中產(chǎn)生了聲波，推動(dòng)匙孔尖端附近的孔隙遠(yuǎn)離匙孔周?chē)臒崽荻葓?chǎng)。
2021年，倫敦大學(xué)CHEN等利用該技術(shù)開(kāi)展DED制造Ti-6242過(guò)程熔池狀態(tài)監(jiān)測(cè)，分析了孔隙形成及演變機(jī)制。
2022年倫敦大學(xué)該團(tuán)隊(duì)在LPBF制造Al7A77鋁合金過(guò)程中利用同步輻射X射線成像監(jiān)測(cè)到介于穩(wěn)定和不穩(wěn)定匙孔機(jī)制之間的過(guò)渡機(jī)制，發(fā)現(xiàn)過(guò)渡機(jī)制中在匙孔壁形成孔隙，而不穩(wěn)定機(jī)制中在匙孔底部形成孔隙。
No.4聲學(xué)監(jiān)測(cè)
聲學(xué)傳感可以收集增材制造過(guò)程中產(chǎn)生的聲波，具有成本低、靈敏度高、采集速率快、對(duì)氣體和內(nèi)部缺陷形態(tài)敏感的優(yōu)勢(shì)，在過(guò)程監(jiān)測(cè)中占有重要地位。
聲學(xué)監(jiān)測(cè)手段包括聲發(fā)射和超聲，對(duì)于聲發(fā)射有結(jié)構(gòu)負(fù)載聲發(fā)射和空氣負(fù)載聲發(fā)射兩種傳感類型，前者用于監(jiān)測(cè)材料內(nèi)部聲信號(hào)變化，可表征裂紋、氣孔等內(nèi)部缺陷，后者用于接收空氣中聲信號(hào)變化，可監(jiān)測(cè)熔池附近等離子體波動(dòng)及成形質(zhì)量。
由于聲發(fā)射信號(hào)結(jié)果缺乏對(duì)缺陷的直觀表征，在信號(hào)特征與缺陷信息間建立精確數(shù)學(xué)模型較為困難，所以最新的研究大多與機(jī)器學(xué)習(xí)融合來(lái)挖掘信號(hào)深層特征，探究隱含規(guī)律。
洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院DRISSI-DAOUDI等在激光粉末床熔融設(shè)備中配置了麥克風(fēng)來(lái)記錄316L、CuSn8和IN718三種材料成形過(guò)程中的聲發(fā)射信號(hào)，結(jié)合卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了三種材料的未熔合、匙孔孔隙缺陷和傳導(dǎo)模式的分類。
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)聯(lián)合新加坡國(guó)立大學(xué)使用麥克風(fēng)對(duì)SLM制件熔池附近等離子體進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)合深度置信網(wǎng)絡(luò)方法識(shí)別表面球化、正常質(zhì)量和過(guò)熱狀態(tài)。
德國(guó)理論固體物理研究所KONONENKO等將高溫聲發(fā)射傳感器連接在打印基板下方來(lái)記錄整個(gè)制造過(guò)程中以及制造完成后一小時(shí)的聲信號(hào)，提取頻譜分量等信號(hào)特征并輸入邏輯回歸、支持向量機(jī)和隨機(jī)森林模型，實(shí)現(xiàn)了噪聲信號(hào)和裂紋信號(hào)的分類。
超聲檢測(cè)在實(shí)時(shí)在線追蹤成形過(guò)程和孔隙率變化方面有出色的應(yīng)用。法國(guó)里昂大學(xué)RAFFESTIN等利用超聲監(jiān)測(cè)激光粉末床熔融過(guò)程中的成形高度，打印過(guò)程中每十層記錄并繪制理論高度和測(cè)量高度與打印層數(shù)的關(guān)系圖，監(jiān)測(cè)結(jié)果與理論高度一致。
德國(guó)弗勞恩霍夫無(wú)損檢測(cè)研究所RIEDER等利用安裝在基板下方的10 MHz縱波探頭檢測(cè)IN718零件制造過(guò)程中因激光功率改變而產(chǎn)生的孔隙變化，超聲波信號(hào)和相應(yīng)的CT圖像如圖9所示，驗(yàn)證了超聲在線檢測(cè)小孔隙率的能力。
圖9 超聲在線檢測(cè)孔隙率變化
激光超聲技術(shù)的非接觸、高精度、可遠(yuǎn)距離收發(fā)信號(hào)的特點(diǎn)契合增材制造過(guò)程中的非接觸在線檢測(cè)要求，是服務(wù)于增材制造過(guò)程中缺陷識(shí)別及可視化的可行技術(shù)。
山東省科學(xué)院激光研究所白雪等搭建了激光超聲多冶金特征同步在線檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了激光熔融沉積AlSi10Mg鋁合金中直徑為0.5 mm的孔洞與寬度為0.5 mm的裂紋成像。
武漢大學(xué)張俊團(tuán)隊(duì)提出了一種超快速激光超聲掃描成像方法，該方法在SLM制造316L過(guò)程中檢測(cè)出了表面和亞表面缺陷，可檢測(cè)的最小缺陷尺寸為0.1 mm，與傳統(tǒng)C掃相比，將單層檢測(cè)的掃描效率提高3倍。
No.5多傳感融合監(jiān)測(cè)
金屬增材制造在線檢測(cè)技術(shù)正從單一傳感器向多傳感器集成過(guò)渡，多源信息組合可以共享傳感器之間的互補(bǔ)內(nèi)容，有助于全面反映成形質(zhì)量和覆蓋缺陷類型。
國(guó)內(nèi)外最新研究表明，多傳感融合監(jiān)測(cè)技術(shù)相比單一傳感，具有優(yōu)越的缺陷表征與質(zhì)量監(jiān)測(cè)能力。
瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)研究所PANDIYAN等在LPBF設(shè)備集成1個(gè)聲發(fā)射傳感器監(jiān)測(cè)聲信號(hào)，3個(gè)光電二極管分別監(jiān)測(cè)激光反射、可見(jiàn)光和紅外信號(hào)，提出一種結(jié)合卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)模型訓(xùn)練四類監(jiān)測(cè)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)316L打印過(guò)程未熔合、傳導(dǎo)模式和匙孔三種狀態(tài)的高準(zhǔn)確率分類。
華中科技大學(xué)周奇團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了集成麥克風(fēng)和光電二極管的離軸監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由3.15 Hz~20 kHz頻率的麥克風(fēng)捕獲空氣聲發(fā)射信號(hào)，由光電二極管收集過(guò)程中波長(zhǎng)為500~1700 nm的光強(qiáng)信號(hào)，提出了一種多傳感器特征融合方法，將采集到的傳感數(shù)據(jù)依據(jù)質(zhì)量水平劃分為三類并輸入卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，與基于單一傳感器的方法相比，顯著提高了分類準(zhǔn)確率且分類時(shí)間僅為1.43 ms。
南京理工大學(xué)張凱團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了如圖10所示的集成光電二極管和高速攝像機(jī)的原位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，熔池光強(qiáng)和熔池面積的組合監(jiān)測(cè)能有效捕捉粉末厚度在30~300 μm間變化引起的粉末熔化狀態(tài)變化，采用平均強(qiáng)度和標(biāo)準(zhǔn)偏差的統(tǒng)計(jì)分析方法成功識(shí)別傳導(dǎo)模式、表面球化和未熔合缺陷。
圖10 多傳感融合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
上述金屬增材制造的在線檢測(cè)技術(shù)能捕獲成形過(guò)程的時(shí)空演變特征，及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷，對(duì)于解決過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)和防范未來(lái)可能存在的危險(xiǎn)有重要意義。
機(jī)器學(xué)習(xí)在增材制造領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，融合機(jī)器學(xué)習(xí)的智能檢測(cè)技術(shù)能實(shí)現(xiàn)增材制造過(guò)程中的缺陷自動(dòng)分類識(shí)別。
紅外、可見(jiàn)光、X射線、聲學(xué)監(jiān)測(cè)結(jié)果呈現(xiàn)形式不同，在選擇監(jiān)測(cè)技術(shù)時(shí)應(yīng)根據(jù)檢測(cè)需求和檢測(cè)對(duì)象有所側(cè)重。選擇合適的監(jiān)測(cè)技術(shù)可以提高檢測(cè)效率和精度，也可考慮多傳感融合監(jiān)測(cè)技術(shù)以獲取更全面的過(guò)程數(shù)據(jù)，從而更好地指導(dǎo)質(zhì)量控制。
3、閉環(huán)質(zhì)量控制
金屬增材制造閉環(huán)質(zhì)量控制是傳感技術(shù)和控制技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，在幫助制件設(shè)計(jì)與工藝技術(shù)的提升、有效提高增材制件的性能與質(zhì)量方面有舉足輕重的地位，能真正意義上實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)的閉環(huán)。
閉環(huán)質(zhì)量控制的原理是通過(guò)在線傳感實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)成形過(guò)程，當(dāng)傳感數(shù)據(jù)出現(xiàn)異?；蛘咂x設(shè)定閾值時(shí)，利用合適的控制算法調(diào)整工藝參數(shù)以糾正成形質(zhì)量問(wèn)題。
由于金屬增材制造過(guò)程是多變量、非線性的復(fù)雜強(qiáng)耦合過(guò)程，所以采用恒定參數(shù)的控制器很難實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定控制，已有學(xué)者采用模糊控制、預(yù)測(cè)控制、迭代學(xué)習(xí)控制等高自適應(yīng)性控制方案實(shí)現(xiàn)閉環(huán)工藝調(diào)控，采取的在線傳感手段主要為紅外監(jiān)測(cè)和可見(jiàn)光監(jiān)測(cè)。
對(duì)于定向能量沉積工藝，主要采用材料供給速度作為控制參數(shù)。對(duì)于粉末床熔融工藝，由于打印過(guò)程非?？焖?，需要高速傳感和高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸以實(shí)現(xiàn)高速反饋控制，目前主要采用激光功率作為高速實(shí)時(shí)控制的參數(shù)。
定向能量沉積工藝的閉環(huán)質(zhì)量控制主要用于調(diào)節(jié)熔池形態(tài)和成形尺寸精度。
清華大學(xué)都東團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了基于模糊PID控制器的雙電子束熔池長(zhǎng)度閉環(huán)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)用相機(jī)監(jiān)測(cè)TiNb合金打印過(guò)程中的熔池形態(tài)，以熔池長(zhǎng)度為控制對(duì)象，以模糊化、模糊推理和去模糊化后的調(diào)整PID參數(shù)為控制器輸出，有效控制熔池長(zhǎng)度符合預(yù)期，在干擾測(cè)試中表現(xiàn)出良好的魯棒性。
西南交通大學(xué)熊俊團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了層寬控制單神經(jīng)元控制器，以打印層寬為控制對(duì)象，以焊槍的行進(jìn)速度為控制器輸出，控制最佳打印層寬在6~9 mm。
西安交通大學(xué)楊飛團(tuán)隊(duì)提出了一種基于電信號(hào)傳感的高度提升控制和迭代學(xué)習(xí)控制器結(jié)合的雙控制方法，通過(guò)調(diào)節(jié)沉積高度和送絲速度共同控制電弧電壓，提高了CuCrZr薄壁結(jié)構(gòu)成形高度的穩(wěn)定性和成形質(zhì)量，也提高了材料和能源利用率。
澳大利亞伍倫貢大學(xué)XIA等選擇送絲速度為控制參數(shù)，利用模型預(yù)測(cè)控制器來(lái)控制ER70S6鋼的打印層寬，驗(yàn)證了該控制器魯棒性優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制器魯棒性。
粉末床熔融工藝的閉環(huán)質(zhì)量控制在缺陷控制和成形尺寸精度方面也取得了良好成果，加拿大麥克馬斯特大學(xué)REZAEIFAR等利用紅外熱像儀確定IN625合金打印過(guò)程中不同孔隙缺陷對(duì)應(yīng)的溫度范圍，結(jié)合PID控制器逐層調(diào)節(jié)激光功率將熔池溫度控制在安全范圍內(nèi)以獲得質(zhì)量?jī)?yōu)良的成形件。
弗吉尼亞理工大學(xué)WANG等在激光粉末床熔融設(shè)備上集成了熱傳感和PID控制系統(tǒng)，將成形尺寸偏差與熔池?zé)彷椛湎嚓P(guān)聯(lián)，通過(guò)自適應(yīng)調(diào)節(jié)激光功率避免了激光功率不足導(dǎo)致的表面球化缺陷、高粗糙度以及激光功率過(guò)大導(dǎo)致的表面駝峰和凹痕缺陷，成功控制了成形尺寸精度，顯微成像結(jié)果表明該方法的成形尺寸精度相比恒定激光功率下的打印情況有明顯改善。
上述研究表明，將在線傳感監(jiān)測(cè)得到的過(guò)程數(shù)據(jù)反饋給控制器形成工藝調(diào)控方案可以保證成形尺寸精度，并能以高響應(yīng)速度減少孔隙和球化缺陷。
不過(guò)目前的控制算法主要采用單一參數(shù)控制，即僅改變激光功率或者材料供給速度，事實(shí)上不同組織特征和缺陷形成是多元工藝參數(shù)共同決定的，未來(lái)可向多元工藝參數(shù)組合調(diào)控方向發(fā)展從而精確控制缺陷減少和尺寸精度提升。
4、總結(jié)和展望
相關(guān)研究表明，對(duì)于金屬增材制造的事后檢測(cè)技術(shù)，超聲和CT無(wú)損檢測(cè)技術(shù)具有適用性。對(duì)于在線檢測(cè)，眾多研究表明，在增材制造設(shè)備上集成傳感器件可以捕獲時(shí)空演變特征，及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷并指導(dǎo)工藝調(diào)整，對(duì)于閉環(huán)質(zhì)量控制，傳感技術(shù)聯(lián)合控制技術(shù)能實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)調(diào)控以保證成形質(zhì)量。未來(lái)仍有以下內(nèi)容值得深入研究與發(fā)展。
制定金屬增材制造事后檢測(cè)和在線檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。
目前國(guó)內(nèi)外缺乏增材制造產(chǎn)品的無(wú)損檢測(cè)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)，為了方便研究人員進(jìn)行規(guī)范試驗(yàn)及精確分析金屬增材制造的缺陷特征，未來(lái)應(yīng)研究制定金屬增材制造事后檢測(cè)和在線檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。
建立多元工藝參數(shù)快速、智能化調(diào)整決策方案。
未來(lái)閉環(huán)質(zhì)量控制重要突破將在于：以在線檢測(cè)結(jié)果來(lái)快速判定缺陷類型，快速自動(dòng)決策對(duì)引發(fā)該缺陷的多元工藝參數(shù)進(jìn)行控制。
提高機(jī)器學(xué)習(xí)的實(shí)時(shí)智能識(shí)別效率。
雖然目前傳感技術(shù)已經(jīng)能實(shí)現(xiàn)金屬增材制造過(guò)程中高速采集和多源信息覆蓋，但結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)的熔池圖像處理和特征提取過(guò)程大多是離線分析，未來(lái)如何實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)，提高機(jī)器學(xué)習(xí)算法的效率以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)識(shí)別需進(jìn)一步研究。
作者：顏江濤1,2，鄭雪鵬1,2，石張平2，張家豪1,2，黃瑤1,2，危荃2，張清彬2，陳勤2
工作單位：1. 上海神劍精密機(jī)械科技有限公司
2. 上海航天精密機(jī)械研究所
第一作者簡(jiǎn)介：顏江濤，碩士，助理工程師，主要從事增材制造無(wú)損檢測(cè)工作。
來(lái)源：《無(wú)損檢測(cè)》2024年9期
來(lái)源：無(wú)損檢測(cè)NDT
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