3D科學谷研究 l X射線斷層成像作為3D列印的質量利器

X射線斷層成像（X-Ray Computed Tomography）是一種影像診斷學的檢查。這一技術曾被稱為電腦軸切面斷層影像（Computed Axial Tomography）。 X射線斷層成像是一種利用數位幾何處理後重建的三維放射線影像。

近幾年來，斷層攝影也到了微米的等級，而如今，國外將這一技術用到了金屬3D列印產品的檢測中。本期，3D科學谷與谷友一起來看關於金屬列印質量檢測與監測的那些事兒，並領略國際上最前沿的檢測技術是怎麼樣的。

檢測與監測

事前、事中與事後

3D列印製品在製備和使用過程中，某些缺陷的產生和擴展是無法避免的。根據3D列印材料中缺陷形成的不同特徵，根據《無損檢測》雜誌，上海材料研究所助理工程師凌松歸納出3D列印中產生缺陷的主要原因有兩方面：

材料特性導致的缺陷，它由材料特性導致的無法通過優化3D列印特徵參數予以解決的缺陷，主要為氣孔；

特徵參量導致的缺陷，即在3D列印中，由於工藝參數或設備等原因導致的缺陷，可以稱之為特徵參量導致的缺陷，主要有孔洞、翹曲變形、球化、存在未熔顆粒等。

圖片：粉末床選擇性金屬融化技術中的孔隙，來源：賓州大學

圖片：直接能量沉積金屬列印過程中的孔隙，來源：賓州大學

圖片：材料特徵導致的缺陷，來源：賓州大學

根據3D科學谷的研究，在金屬融化過程中，每個激光點創建了一個微型熔池，從粉末融化到冷卻成為固體結構，光斑的大小以及功率帶來的熱量的大小決定了這個微型熔池的大小，從而影響著零件的微晶結構。

圖片：未完全融化材料導致的缺陷，來源：賓州大學

為了融化粉末，必須有充足的激光能量被轉移到材料中，以熔化中心區的粉末，從而創建完全緻密的部分，但同時熱量的傳導超出了激光光斑周長，影響到周圍的粉末。當激光後的區域溫度下降，由於熱傳導的作用，微型熔池周圍出現軟化但不液化的粉粒。

根據上海材料所凌松，無損檢測的方法不僅僅局限於材料內部缺陷的檢測與表徵，還可實現材料的密度、彈性參數、孔隙率、殘餘應力分布以及其內部各種非連續性等方面的無損測試與表徵；整個過程可實現快速、無損、原位的結果，對縮短材料的研發與生產周期和成本有積極意義。凌松對3D列印製品無損檢測的展望如下：

（1）3D列印的原材料檢測

3D列印的原材料為粉體或絲材，其形態與傳統板材、棒材、鍛件等有較大區別；因此，其理化特性的測試檢驗項目與傳統減材加工技術的原材料有很大的不同，諸如力學性能、金相組織等項目無法進行。除化學成分分析外，粉體材料應著重關注其粒度、粒度分布、形貌及顆粒中的空隙等參量。

（2）3D列印製品的超聲檢測

例如在製備過程中使用超聲檢測來實時監控3D列印製品中殘餘應力的分布，防止其翹曲和開裂；在產品的研發階段，使用超聲檢測結合數字計算機技術可以為製品提供其相應的密度、彈性參數、孔隙率，指導產品研發工藝的提高與升級，為製備出樣品出更高質量的3D列印製品發揮出「燈塔」作用。

由於3D列印材料晶界組織的微小化，必須對超聲檢測的相關條件進行提高和拓展，超聲檢測走向高頻化和定量化的趨勢將更加明顯。

（3）3D列印製品的射線檢測

射線檢測對於複雜構件的檢測有著天然的優勢，基於這一點上，射線在3D列印製品的檢測上必將承擔更加重要的角色，未來，配合高解析度的工業CT和DR技術，射線檢測在3D列印的發展中將發揮更大的作用。

在檢測工藝上，需要充分結合樣品的製造工藝，針對其特殊性構建出一套與之匹配的檢測方法和體系。在使用和驗收等級方面，需要考慮到其微觀組織的特殊性，調整各個方面的驗收參數。

（4）3D列印材料微區的無損評估

為了確保3D列印製品的可靠性，研究和製備過程中需要充分地分析3D列印製品的材料性能以及進一步了解材料微區的結構和性能、微區再結晶、Kirkendall空穴、成形過程內應力演化行為規律、內部組織形成規律、內部缺陷和損傷形成機理。因此，發展解析度優於微米量級的微米、納米尺度上的無損評估技術，進行材料微區的力學、電學、磁學和熱學等特性的三維成像和評估，是聲學和其它學科共同的任務。

（5）3D列印製品的早期損傷評估

3D列印製品的早期損傷評估也將是無損檢測技術發展的一個方向，作為製造過程和狀態預測的一部分，損傷評估技術直接影響到整個裝備系統的安全運行。這就要求我們在現有的基礎上開發出穩定性和靈敏度更高的儀器與設備，並實現遠程評價。

對於上述凌松提到的第5條中的早期損傷評估，即金屬列印過程中質量控制，3D科學谷發表過金屬列印過程中質量控制面面觀。無疑，最好的質量控制是過程中控制，但是對於列印結果的檢測仍是必不可少的。而令人頭疼的問題是，現今的無損探傷檢測技術對於金屬3D列印結果來說，並不是萬能的，一個顯著的問題是對於比較簡單的產品設計，現在的NDE方法是沒問題的，但是隨著產品的複雜化，現在的NDE方法遇到了極大的挑戰。

概括來說，當前NDE的局限性體現在

- 難以檢測複雜設計

- 缺乏對關鍵缺陷類型和大小的定義

- 物理檢測參考標準缺乏

- 缺乏書面檢查程序

- 缺乏檢測數據的概率統計

根據3D科學谷的研究，對於金屬增材製造的複雜性可以區分為五個層面：1簡單的零件、2優化的零件、3帶有嵌入式設計的零件、4為增材製造設計的零件、5複雜的胞元結構零件。

圖：複雜的結構

圖：各種檢測方法相對於零件複雜性的可行性，來源：賓州大學

為了達到對複雜零件的檢測，賓州大學採取了計算機X射線斷層成像（X-Ray Computed Tomography）檢測技術，該技術不僅被用於列印零件的檢測，還被用於後處理零件的檢測。

圖：計算機X射線斷層成像，來源：賓州大學

圖：計算機X射線斷層成像用於熱等靜壓後處理結果的檢測，來源：賓州大學

圖：計算機X射線斷層成像用於複雜產品的檢測，來源：賓州大學

這其中，GE也將計算機X射線斷層成像技術用於其著名的噴油嘴的檢測中，從圖片上我們可以看到經過熱等靜壓的後處理工藝，GE改進了產品的內部晶體結構，並提高了產品的抗疲勞性能。

圖：GE噴油嘴的檢測，來源：GE

通過實現對複雜零件的檢測，當前的增材製造行業有望將過程中加工參數與模型結構以及零件機械性能建立有效的相關性分析，隨著材料特徵資料庫的建立，以及對加工過程中幾何形狀特徵與重要的工藝變數之間關係的理解，3D科學谷認為我們將有望建立增材製造領域的知識專家系統，從而將金屬增材製造推向另一個高度。

參考資料：

《無損檢測》2016年第38卷第6期，作者：凌松，上海材料研究所助理工程師

Summary of NDE of AM efforts in NASA

Nondetestructive evaluation of additive manufacturing by NASA

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