国外先进增材制造无损检测技术调研分析

航空航天领域对零部件的精准性有较为严格的要求，而增材制造技术能较好地制造这些零部件，因此该技术在航空航天领域有着广泛应用。现实应用中，用于传统制造零部件的破坏性试验无法用于增材制造的制件，因为它们往往是一次性的，而且制造成本极其昂贵的。此外，由于增材制造的制件是一层层创建的，属性更加难以预测。

增材制造零部件的独特性给产品质量检验带来了挑战，而它正好适合使用NDE，对于那些具有复杂几何形状的零部件很难通过传统手段进行检验。而NDE能够满足增材制造部件所有独特的检验要求。

通常未完成的增材制造部件表面会比较粗糙，并且需要抛光。即使是X射线计算机断层扫描技术（CT），虽然非常适合评估部件的深层内部特征和属性，但仍有其局限性，即不能检测出垂直于x射线束的裂纹。然而NDE的方向是可行的，因为它优化了复杂增材制造部件的测试，并能实现标准化，同时由于其非入侵的方式，又具有潜在的成本效益与广泛的适用性。


NASA增材制造NDE

NASA拥有丰富成功的增材制造技术应用，如创建首个船底座星云的完整三维模型，通过3D模型来获取其相关信息。

如向国际空间站运送高性能3D打印机，开始执行太空3D打印任务。NASA将使用3D打印机在轨道上制造对象，终极研究目的是在太空中3D打印出整个卫星。

- 增材制造关键技术和测量挑战

- 增材制造制件质量评定

NASA在无损检测方面的主要技术包括：

· CT测量Computed Tomography

上图中，左图为索引接缝的上内壁计算机断层图像，右图为Ti-6AL-4V ASTRO-H绝热制冷部件的内部结构。

上图为通过直接金属激光烧结技术制成的Pogo-Z挡板，RS-25 / J2-X喷嘴，喷油器和阀体的计算机断层扫描图像。

上图为一个直接金属激光烧结铝计背部摄影图（左）和计算机断层摄影图像（右）。

以上三图表明 CT测量能够检测模拟内部缺陷，以及无法访问的内部特征。

上图为Ti-6Al-4V拉伸试样及其热等静压的GRC计算机断层扫描图像。

CT测量技术的限制性因素是：由于不能检测到垂直于X射线光束的裂纹，导致其不能可靠的检测缺陷。


· 渗透测试Penetrant Testing

依据最新获得、具有代表性的NDE数据的调查资料，从中可以获得了NDE的一些优点和限制以及需要加以解决和推进的具体技术挑战。例如，相对于传统的锻造、铸造或模制零部件来说，增材制造制件的突出特点之一是其孔隙率更高。

这些制件中不规则或粗糙的表面，使得用于检测表面缺陷的传统无损检测方法，难以甚至不可能完成对增材制造制件的检测。例如， Ti-6AL-4V试样的PT和Pogo-Z baffle的加工表面表明，PT可能不是对没有经过特殊后处理（加工和抛光）的增材制造制件中多孔或粗糙的部位进行检查的一个现实的方法（参见以下两图）。

上图为，液体火箭气态氢/液态氧（GH2/ LOX）喷射器中正在开发的Ti-6AL-4V的渗透试验（左），和一个Pogo-Z的挡板（右）。从上图可知由于表面粗糙度导致背景噪声较高。

上图为Ti-6AL-4V ASTRO-H绝热冰箱组件中，可变背景渗透迹象的光学成像（左）和渗透迹象的光学成像（右）。

同样地，了解如何衡量位置较深或无法访问的缺陷的复杂的内部结构/晶格结构，将是一个艰巨的任务。很显然，需要更新的，更灵敏的，并且非接触式NDE方法来克服该问题，即限制了与CT互补技术的效力，如PT，ET和UT。


· 涡流检测Eddy Current Testing

对增材制造制件的可接触部分进行涡流检测，应被证明其和传统加工方式制造的金属非常相似。对于ET中的任何金属组件，表面光洁度和晶粒结构在发现关键缺陷中发挥了巨大的作用。

· 结构光Structured Light

在增材制造过程中，考虑到几何形状和属性在连续层的沉积过程中可能出现变化的可能性，对这两部分的均匀性和尺寸的控制显得极其重要。一个已出现的无损检测技术——结构光，其可用于验证制件的精确度。

上图为Pogo-Z baffle的结构光特征。

· 超声扫描

· 原位过程监控近红外相机测量

在控制和反馈领域中领先的成果中使用的近红外成像和机器视觉技术，正被用于改善EBF3的质量。其优势包括用于测量的商用NIR相机的温度校准和表征焊接熔池特性。此外，其先进性还体现在用于提高焊接形状一致性的多种方法，比如，多台摄像机，实时跟踪和反馈算法。这些系统的实现能够改善不锈钢直壁样品的一致性。已证实，在制造过程中使用经校准的近红外相机，能够检测到制件的缺陷。

GE增材制造NDE

· 红外脉冲热成像Infrared pulse thermography

红外脉冲热成像是一种用于检测缺陷的方法，依据具体的样品和情况，能够进行快速和准确的评估。红外脉冲热成像涉及闪光灯，闪烁产生的极热会进入试样，从而被用作热源。并且当热扩散通过试样时，使用红外照相机以检测任何温差。试样缺陷区域的热响应，与没有缺陷的区域是不同的；红外摄像机足够敏感，能够检测到这些差别。

· CT扫描

GE使用的CT扫描仪是phoenix v|tome|x m300 CT scanner。

CT扫描使用一系列二维X射线图像来重建三维部分。在CIMP-3D的扫描仪，该部分被放置在一个转盘中的机器的中间。X射线投影，在机器的右侧，通过部分照射X射线回到在左侧的传感器。固体份方框X射线，在传感器上产生的阴影，其结果是一个灰度图像，其中暗的区域与固体物质和光区对应与空的空间相对应。

一旦数据被捕获，它装入一个单独的工作站进行重建。数据需要被处理，需要处理的数据量是惊人的。一旦改造完成后，负责CIMP-3D的CT扫描的研发工程师能做到建成的部分的可视化分析，检查它的空隙和漏洞。已建成的模型也可以在作为设计的模型之上重叠，允许偏差容易地量化。该模型也可以在任何方向逐层探索。

延伸阅读：《3D打印制品的无损检测现状与展望》

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来源：3D科学谷