浮華去，盡顯本色。歷經(jīng)資本的過(guò)度追捧與去除泡沫的低谷之后，我國(guó)的3D打印進(jìn)入了良性成長(zhǎng)階段。數(shù)據(jù)顯示，2017年，全球增材制造(即3D打印)產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值73.36億美元，同比增長(zhǎng)21.0%，增速較去年提高了3.6個(gè)百分點(diǎn)。2018年上半年，全球增材制造增速實(shí)現(xiàn)反彈。預(yù)計(jì)2020年全球增材制造產(chǎn)值將達(dá)289億美元，預(yù)測(cè)到2025年全球增材制造產(chǎn)業(yè)可能產(chǎn)生高達(dá)2000-5000億美元經(jīng)濟(jì)效益。但制約增材制造快速的發(fā)展的一個(gè)重要因素—在線監(jiān)測(cè)技術(shù)卻嚴(yán)重制約了3D打印的發(fā)展，我們將陸續(xù)為大家展現(xiàn)增材制造中的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)。

3D打印市場(chǎng)廣闊

2018年上半年，全球增材制造增速實(shí)現(xiàn)反彈，據(jù)IDC預(yù)測(cè)，2020年全球增材制造產(chǎn)值將達(dá)289億美元，麥肯錫則預(yù)測(cè)，2025年全球增材制造產(chǎn)業(yè)可能產(chǎn)生高達(dá)2000-5000億美元經(jīng)濟(jì)效益。

風(fēng)景這邊獨(dú)好，中國(guó)保持著高于全球的增速。但原創(chuàng)還是少的有點(diǎn)可惜。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015-2017年的3年間，中國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)規(guī)模實(shí)現(xiàn)了翻倍增長(zhǎng)，年均增速超過(guò)30%。2017年，中國(guó)增材制造領(lǐng)域相關(guān)企業(yè)超過(guò)500家，產(chǎn)業(yè)規(guī)模已達(dá)100億元，增速略微放緩至25%左右，但仍高于全球4個(gè)百分點(diǎn)。2018年上半年，中國(guó)增材制造產(chǎn)業(yè)維持25%以上增速。世界一直在關(guān)注中國(guó)，而中國(guó)則會(huì)非常關(guān)注江蘇。到2020年，江蘇省增材制造產(chǎn)業(yè)從材料、工藝、軟件、核心器件到裝備的產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)一步完善，產(chǎn)業(yè)實(shí)力明顯增強(qiáng)。全省增材制造產(chǎn)業(yè)年產(chǎn)值超過(guò)20億元，約占全國(guó)10%，年均增速30%以上。培育形成一批億元以上重點(diǎn)企業(yè)，其中年銷(xiāo)售收入超2億元、擁有核心知識(shí)產(chǎn)權(quán)和自主品牌、具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力和影響力的領(lǐng)軍企業(yè)2-3家。

在線監(jiān)測(cè)的重要性

在2011年年底，全球知名公司，GE的增材制造實(shí)驗(yàn)室經(jīng)理Prabhjot Singh觀察到：“增材制造的零件由數(shù)以千計(jì)甚至萬(wàn)計(jì)的分層構(gòu)建而成，每一層的問(wèn)題都有可能使得整個(gè)零件構(gòu)建失敗。我們?nèi)匀徊幻靼祝瑸槭裁床煌O(shè)備生成的零件會(huì)略有不同，甚至同一臺(tái)設(shè)備在不同的一天中生成的零件也會(huì)略有不同” 。增材制造顯著不同于傳統(tǒng)的減材制造，二區(qū)增材制造的歷史還非常的短。上游想多問(wèn)題我們甚至還沒(méi)有來(lái)得及對(duì)其進(jìn)行思考。

到了如今，這一評(píng)估在很大程度上仍然正確。與此同時(shí)，包括GE航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司在內(nèi)的先驅(qū)者多年來(lái)一直研究他們的增材制造設(shè)備的細(xì)微差別，表征工藝窗口和靈敏度，創(chuàng)建工藝數(shù)據(jù)庫(kù)和確認(rèn)每臺(tái)設(shè)備是否合格。他們將可能在未來(lái)12至18個(gè)月內(nèi)開(kāi)始提速其生產(chǎn)，他們沒(méi)有對(duì)其生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行過(guò)程監(jiān)控或閉環(huán)激光功率控制，而是憑借自己深厚的知識(shí)儲(chǔ)備來(lái)生產(chǎn)質(zhì)量?jī)?yōu)良的零件。

如今，增材制造過(guò)程監(jiān)控所借鑒的傳感技術(shù)大多來(lái)自激光焊接等成熟工藝的經(jīng)驗(yàn)。因此，它們有可能不是實(shí)時(shí)檢測(cè)增材制造過(guò)程中的異常的最佳手段。金屬增材制造仍然處于發(fā)展的早期階段，設(shè)備和粉末材料的相關(guān)技術(shù)在發(fā)生著日新月異的變化。傳感和數(shù)據(jù)分析技術(shù)也是如此。目前正在對(duì)激光粉末床的相互作用進(jìn)行物理上的互動(dòng)模擬，并建立詳細(xì)的數(shù)據(jù)庫(kù)，包括材料性能、工藝參數(shù)和粉末特征。未來(lái)幾年，這些技術(shù)將可能幫助制造商研發(fā)出最理想的監(jiān)測(cè)器和傳感器，逐點(diǎn)監(jiān)測(cè)熔池或是接近熔池的點(diǎn)。同時(shí)，快速的創(chuàng)新會(huì)繼續(xù)進(jìn)行，盡管真正強(qiáng)有力的過(guò)程監(jiān)控與控制可能仍然需要數(shù)年之久才能實(shí)現(xiàn)，但這一天肯定會(huì)來(lái)得比我們想象的要早一些。考慮到主要的制造商在計(jì)劃批量生產(chǎn)增材制造的金屬零件，我們期待看到更多的關(guān)注投放到這一領(lǐng)域以及更多積極的研發(fā)行動(dòng)。和增材制造過(guò)程監(jiān)控相關(guān)的各種技術(shù)正在你追我趕，且看誰(shuí)能勝出。

激光增材制造（LAM）設(shè)備有兩種類(lèi)型：粉末床和送粉式。如下圖所示：

目前的的現(xiàn)狀是工藝重復(fù)性和質(zhì)量可靠性尚未得到優(yōu)先解決，從而導(dǎo)致批量生產(chǎn)成為一個(gè)大問(wèn)題；三是國(guó)內(nèi)仍以離線檢測(cè)為主，在線檢測(cè)技術(shù)匱乏，國(guó)外正在積極的發(fā)展和推出在線監(jiān)測(cè)技術(shù)。我國(guó)也正在國(guó)家和相關(guān)部位、省市的支持下開(kāi)展通過(guò)以鈦合金、合金鋼、鋁合金、高溫合金等金屬增構(gòu)件增材制造過(guò)程為主線，建立復(fù)雜構(gòu)件增材制造在線無(wú)損檢測(cè)方法，同時(shí)重點(diǎn)突破內(nèi)部缺陷、應(yīng)力應(yīng)變及元素成分的高效無(wú)損檢驗(yàn)方法，并且研究冶金缺陷的形成機(jī)理、缺陷特征、無(wú)損檢測(cè)特性和力學(xué)性能評(píng)價(jià)方法，研發(fā)基于多能束集成在線無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)的增材制造裝備。如下介紹一個(gè)在線監(jiān)測(cè)的神器，分享給大家，希望各位看官能夠喜歡。

高速X-射線影像和衍射技術(shù)簡(jiǎn)介

我們首先來(lái)簡(jiǎn)要的揭開(kāi)該神器神秘的面紗，它由一個(gè)短周期的波蕩器，其間隙為12mm，可以產(chǎn)生多色X射線，該多色X射線的一次諧波能量位于24.4keV (λ=0.508)處。一對(duì)狹縫用來(lái)確定X-射線的尺寸。該探測(cè)系統(tǒng)由LuAG:Ce閃爍體（100m 厚）、45° 反射鏡、中繼透鏡（Edmund Optics Inc）、高速攝像機(jī)（Photron FastCam SA-Z, USA）所組成。衍射探測(cè)系統(tǒng)整合了LYSO閃爍體、量子躍遷像增強(qiáng)器（Stanford Computer Optics Inc., Berkeley, CA）和一個(gè)高速攝像機(jī)（Photron FastCam SA-Z, USA）。衍射得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)自主研發(fā)的軟件HiSPoD進(jìn)行分析處理。

高速X-射線影像和衍射技術(shù)裝置示意圖

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激光粉末床技術(shù)進(jìn)行Ti-6Al-4V 增材制造時(shí)動(dòng)態(tài)X-射線影像。此時(shí)的激光功率分別為(a) 340W；(b) 520W，激光束尺寸：為~220m (1/e2)。粉末尺寸為5–45m，粉末層厚度~100m。激光在t=0時(shí)打開(kāi)，持續(xù)加熱發(fā)光直到 t=1000s。數(shù)據(jù)的采集頻率為50kHz。每副圖像的曝光時(shí)間間隔為350ns，該圖上的放大標(biāo)尺為200m。

激光粉末床技術(shù)進(jìn)行Ti-6Al-4V 增材制造時(shí)熔池的動(dòng)態(tài)演變過(guò)程： (a) 熔池在t=0、 200、 400、600、800、、 1000s時(shí)的X射線圖像，藍(lán)色的短劃線是洞穴或坳陷區(qū)的邊界線，紅色線是固體-液體的界面線，此時(shí)的激光功率為520W，光斑尺寸為~220m (1/e2), 激光在t=0時(shí)打開(kāi)，持續(xù)加熱發(fā)光直到 t=1000s 。粉末尺寸為5–45m，粉末層厚度~100m。 (b–d) 兩種不同的激光狀態(tài)下激光加熱時(shí)間同熔池尺寸和形狀之間的關(guān)系， (b) 深度 , (c) 深寬比 (深度/寬度), (d) 公稱(chēng)截面積 。 (d) 中的插圖為穩(wěn)態(tài)的熔池，所有的標(biāo)尺包括（d）中的插圖為100m 。

激光粉末床技術(shù)進(jìn)行Ti-6Al-4V 增材制造時(shí)粉末的動(dòng)態(tài)演變過(guò)程：(a) 在不同時(shí)間拍攝到的粉末動(dòng)態(tài)行為，其中紅色的箭頭顯示的每個(gè)粉末個(gè)體的運(yùn)動(dòng)情況，此時(shí)的激光功率和光斑尺寸為520W 和 ~220m (1/e2)，粉末尺寸為5–45m，粉末層厚度~100m。(b) 5種不同的粉末運(yùn)動(dòng)的軌跡， (c,d) 粉末運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果；

激光熔化過(guò)程中Ti-6Al-4V 合金板材的凝固速率的測(cè)量結(jié)果 (a) 動(dòng)態(tài)X-射線采集到的凝固過(guò)程的圖像：采集時(shí)間節(jié)點(diǎn) t=1370、 1470、1570、 1670、 1770、1870s，紅色的點(diǎn)位于（a）中的熔池中心，藍(lán)色的圓圈圈是固體-液體界面處追溯的目標(biāo)點(diǎn)，每一點(diǎn)紅色箭頭所指示的為凝固速率，所有的放大標(biāo)尺為100m：(b) 目標(biāo)點(diǎn)P3處隨時(shí)間而變化的凝固速率，凝固速率計(jì)算時(shí)考慮的時(shí)間范圍大于50s 。(c) 隨方位角而變化的平均凝固速率，平均凝固速率的計(jì)算是考慮（b）中平衡生長(zhǎng)過(guò)程而得到的結(jié)果，方向角的定義在（a）中給出

激光熔化Ti-6Al-4V和凝固時(shí)得到的高速X射線衍射結(jié)果：(a) 一個(gè)時(shí)間序列是三個(gè)代表性的衍射模式的結(jié)果，時(shí)間節(jié)點(diǎn)分別為 t=1ms、 3.5ms、and 11ms，圖（a1）中強(qiáng)度均勻分布的連續(xù)衍射環(huán)是開(kāi)始狀態(tài)下細(xì)小晶粒結(jié)構(gòu)的反映。（a2）中強(qiáng)的衍射斑點(diǎn)是粗大β 相形成的反映，而繼續(xù)回到衍射環(huán)的狀態(tài)（a3）則是晶粒相變到細(xì)小晶粒的狀態(tài)的反映，（b）時(shí)間分辨的衍射強(qiáng)度圖， (c) hcp-(101)的衍射強(qiáng)度和 bcc-(110)的衍射峰。