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工業(yè)的快速發(fā)展對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量、性能要求逐漸提高，傳統(tǒng)的機(jī)械制造成形技術(shù)在處理小批量且形狀復(fù)雜的零件過程中存在一些問題。因此，增材制造技術(shù)的出現(xiàn)具有重要的意義。提到增材制造技術(shù)，或許大家還有些陌生，但是說起它的另外一個(gè)名字——3D打印技術(shù)，估計(jì)大家都很熟悉了。

這是一種基于構(gòu)件的三維數(shù)字模型，通過使用激光束或電子束作為熱源將金屬母材熔化后逐層堆積成實(shí)體構(gòu)件的先進(jìn)制造技術(shù)。這種點(diǎn)—線—面—體的加工方式使其在制造復(fù)雜形狀構(gòu)件方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，減少了模具設(shè)計(jì)與開發(fā)，縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期，提高了材料的利用率，因此增材制造技術(shù)在航空航天、汽車醫(yī)療、軍工等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

然而，增材制造制件在成形過程大都發(fā)生在極端非平衡條件下，這極大地增加了質(zhì)量控制的難度，導(dǎo)致各個(gè)工藝階段經(jīng)常出現(xiàn)氣孔、未熔合、裂紋、翹曲變形等缺陷，嚴(yán)重阻礙了增材制造技術(shù)進(jìn)一步推廣及應(yīng)用。

由此一來，無損檢測(cè)作為一種非破壞性的檢測(cè)方法，在增材制造產(chǎn)品質(zhì)量控制，調(diào)整增材制造工藝以及提高增材制造件綜合性能方面扮演著重要的角色，成為了推動(dòng)增材制造技術(shù)在制造業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的重要助力。

最具前景的技術(shù)也有缺陷

增材制造技術(shù)已成為當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)中最具有前景的技術(shù)之一。2002年，美國(guó)宇航局（NASA）就研制出能打印金屬零件的3D打印機(jī)。同年，美國(guó)將激光成形鈦合金零件裝上了戰(zhàn)機(jī)。

2012年美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬為重振美國(guó)制造業(yè)提出一系列計(jì)劃，將3D打印技術(shù)列為11項(xiàng)重要技術(shù)之一。英國(guó)技術(shù)戰(zhàn)略委員會(huì)把增材制造技術(shù)列為提升國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力，應(yīng)對(duì)未來挑戰(zhàn)的22個(gè)應(yīng)優(yōu)先發(fā)展技術(shù)之一。

此外，澳大利亞、新加坡、日本等政府也在大力支持增材制造技術(shù)的研究與發(fā)展，致力于構(gòu)建其完備的增材制造材料與裝備體系，提高其增材制造技術(shù)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)能力。

中國(guó)于90年代初開始增材制造技術(shù)研究，特別是近年來增材制造得到了學(xué)術(shù)界以及工業(yè)界的高度重視。早在20世紀(jì)90年代初，以清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等為代表的高校和科研機(jī)構(gòu)在選擇性激光燒結(jié)、熔融沉積成型、立體光固化成型以及激光立體成形等技術(shù)領(lǐng)域開展了大量研究。目前，針對(duì)材料、工藝和設(shè)備的研究成果部分已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，應(yīng)用范圍覆蓋航空航天、汽車、生物醫(yī)療和裝備制造等重要領(lǐng)域。

然而，在增材制品的制備和使用過程中，某些缺陷的產(chǎn)生和擴(kuò)展是無法避免的，加之電子或激光增材制造過程是一個(gè)多場(chǎng)物理耦合的過程，成形過程中存在各種不穩(wěn)定因素，溫度變化劇烈，材料的熔化、凝固和冷卻都是在極快的條件下進(jìn)行的，在應(yīng)力的作用下，成形零件易出現(xiàn)翹曲變形、開裂、尺寸異常等宏觀缺陷，同時(shí)在零件內(nèi)部還易出現(xiàn)裂紋、氣孔、未熔合、夾渣等不可預(yù)知的冶金缺陷。

這種缺陷成為了制約增材制造技術(shù)發(fā)展的重要瓶頸，因此，對(duì)增材制造過程中的缺陷進(jìn)行精準(zhǔn)檢測(cè)，從而通過調(diào)控工藝參數(shù)減少缺陷產(chǎn)生，改善成形質(zhì)量至關(guān)重要。

無損檢測(cè)不僅是給制件做CT

因?yàn)樵霾闹圃斓闹萍Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本較高，這使得傳統(tǒng)制造零部件的破壞性試驗(yàn)無法滿足增材制造的制件的檢測(cè)要求。

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)帶來了挑戰(zhàn)，對(duì)于那些具有復(fù)雜幾何形狀的增材制造部件，無損檢測(cè)能夠滿足其獨(dú)特的檢驗(yàn)要求。

無損檢測(cè)不僅僅局限于材料內(nèi)部缺陷的檢測(cè)與表征，還可實(shí)現(xiàn)材料的密度、彈性參數(shù)、孔隙率、殘余應(yīng)力分布以及其內(nèi)部各種非連續(xù)性等方面的無損測(cè)試與表征；整個(gè)過程可實(shí)現(xiàn)快速、無損、原位的檢測(cè)，對(duì)縮短材料的研發(fā)與生產(chǎn)周期和成本有積極意義。目前在增材制造無損檢測(cè)方面的技術(shù)主要包括：超聲檢測(cè)、計(jì)算機(jī)斷層掃描(Computed Technology, CT)、渦流檢測(cè)和紅外相機(jī)測(cè)量。

激光超聲檢測(cè)

這是一種可用于快速掃描的非接觸檢測(cè)方法，利用超聲在制件截面上橫向和縱向的速度不同，可以表征樣品中超聲波傳播的各向異性。由于激光超聲具有非接觸、可檢測(cè)復(fù)雜形狀制件以及對(duì)檢測(cè)環(huán)境要求不高等優(yōu)勢(shì)，特別適合于進(jìn)行制造過程中的在線實(shí)時(shí)檢測(cè)。

計(jì)算機(jī)斷層掃描

可以對(duì)所有樣品進(jìn)行檢測(cè)，而超聲檢測(cè)和滲透檢測(cè)是針對(duì)工件表面。而且CT檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)精度高，可成三維斷層掃描圖像，結(jié)果直觀，適用于復(fù)雜構(gòu)型的中小型結(jié)構(gòu)件的無損檢測(cè)。對(duì)于精細(xì)的零件，CT技術(shù)在檢測(cè)內(nèi)部孔隙、裂紋等方面有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

相比超聲波檢測(cè)技術(shù)，CT檢測(cè)手段在增材制造中運(yùn)用得更為廣泛，這主要是因?yàn)楣I(yè)CT技術(shù)不受被檢物體結(jié)構(gòu)、材料及表面狀況等限制，同時(shí)給出被檢物體某一截面的斷層圖像或三維圖像,成像簡(jiǎn)單直觀,能清晰表征被檢物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息，而且內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息能精確度量。

總體而言，X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描是一種強(qiáng)大的對(duì)增材制成品進(jìn)行無損檢測(cè)的技術(shù)，使得描述材料的結(jié)構(gòu)、形狀分布和缺陷的定量尺寸成為可能。工業(yè)CT檢測(cè)可檢測(cè)增材制造結(jié)構(gòu)件中的氣孔、熔合不良、裂紋和夾雜等缺陷，特別是細(xì)小缺陷，并可給出被檢件的斷層掃描圖像。對(duì)于尺寸較小、形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜的增材制造件，如金屬網(wǎng)格結(jié)構(gòu)和發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴等復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，和要求檢出較小孔隙和殘留粉末等缺陷，適合采用工業(yè)CT檢測(cè)方法。

渦流檢測(cè)技術(shù)

利用電磁感應(yīng)原理，通過測(cè)定被檢工件內(nèi)感生渦流的變化來無損評(píng)定導(dǎo)電材料及其工件的某些性能，或發(fā)現(xiàn)缺陷的無損檢測(cè)。渦輪檢測(cè)技術(shù)對(duì)增材制造過程中可能出現(xiàn)的小表面裂紋和淺表面裂紋有極高的分辨率和靈敏度, 常被用來檢測(cè)產(chǎn)品表面缺陷。

渦流檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)的增材制造部件缺陷尺寸取決于產(chǎn)品表面的可接觸性材料、幾何形狀和表面粗糙度等。由于渦流檢測(cè)只適用于導(dǎo)電金屬材料或能感生渦流的非金屬材料的檢測(cè)，因此其運(yùn)用受到很大局限性，但是該技術(shù)簡(jiǎn)便，適用于在制造工藝過程中進(jìn)行質(zhì)量控制，或在成品中剔除不合格品；另外對(duì)于在役零件，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械零部件及熱交換管等設(shè)施進(jìn)行定期檢驗(yàn)。

紅外相機(jī)檢測(cè)技術(shù)

在生產(chǎn)線上對(duì)生產(chǎn)過程加以監(jiān)測(cè)，即進(jìn)行所謂“在線測(cè)量”，則不僅可以降低消耗、減少成本、增加產(chǎn)量、提高效益，而且還可以保證產(chǎn)品的質(zhì)量、增強(qiáng)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。基于紅外相機(jī)檢測(cè)技術(shù)對(duì)增材制造過程進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)并反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)相應(yīng)的調(diào)整工藝參數(shù)，可以有效減少增材制造產(chǎn)品的缺陷數(shù)量，保證產(chǎn)品的可靠使用。

增材制造中無損檢測(cè)技術(shù)的展望

為使增材制造的制件可以大范圍的應(yīng)用于航空航天、汽車等重要領(lǐng)域，需要其提高無損檢測(cè)的檢測(cè)技術(shù)與水平，現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究人員在其檢測(cè)方式的研究上已經(jīng)獲得一定的研究成果。接下來還需要進(jìn)一步跟進(jìn)增材制造技術(shù)的發(fā)展，在以下4各方面開展更深入的研究工作。

1）加強(qiáng)對(duì)無損檢測(cè)新型技術(shù)的使用。

增材制造制件已經(jīng)逐漸呈現(xiàn)出大型化、復(fù)雜化的發(fā)展趨勢(shì)，并且以往的無損檢測(cè)方式是無法滿足其相關(guān)要求的，所以應(yīng)積極研究激光超聲、CT檢測(cè)等新型NDT的使用方法。

2）加強(qiáng)對(duì)增材制造在線檢測(cè)方法的研究力度。

雖然國(guó)內(nèi)外已對(duì)增材制造制件的在線檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行有效的研究，但研究進(jìn)度和實(shí)際應(yīng)用之間仍然具有一定距離，例如激光超聲、熱成像、X射線成像、中子衍射等技術(shù)在未來的線檢測(cè)研究中需要繼續(xù)深入。

3）加強(qiáng)應(yīng)力測(cè)試以及表征技術(shù)的研究。

如X射線衍射技術(shù)以及中子衍射技術(shù)。內(nèi)應(yīng)力始終是對(duì)大型制件的成型有阻礙，如能使用NDT可以對(duì)其內(nèi)應(yīng)力有效表征和檢測(cè)，那么將在確保制件質(zhì)量等方面提供強(qiáng)有力的支撐。

4）積極建立與完善增材制造領(lǐng)域無損檢測(cè)方法的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

因?yàn)楝F(xiàn)階段金屬增材制造制件中的無損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)還未形成科學(xué)系統(tǒng)的體系，所以建立與進(jìn)一步完善無損檢測(cè)方法標(biāo)準(zhǔn)是未來該領(lǐng)域的重點(diǎn)發(fā)展方向。