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深度解析增材制造技术及其检测难点

来源:客户端

发布时间:2018-10-23 18:37:53

点击量:4898

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传统的无损检测方法,在检测增材制造技术制备出的零部件,与检测其他加工技术制备的零件方面有很多相似之处。但是,或多或少,增材制造技术的兴起仍然对无损检测技术带来了一定的挑战。


 


增材制造(AM)是近年来最热门和最具革命性的制造工艺之一。这种新型制造工艺只要把设计输入机器里,然后把功能部件从机器的另一边取出来即可,这种想法以前出现在上一代人的科幻小说里,虽然现在我们仍离《星际迷航》电影里那样复制人类的技术还很遥远,但我们正在缩小这个差距。

塑料、橡胶、陶瓷、油墨、贵金属和一些特殊合金材料,每天都在不同的行业中被制造及应用,其应用领域非常广泛,包括普通玩具、模具,甚至到人体器官等。现在这一切都可以利用3D打印(增材制造)技术打印出来。在本文中,我们将重点关注增材制造技术在航空航天和发电方面的应用,许多人正就这些方面的一些难题不断在努力设计和创造一些创新的解决方案。


 


在这些领域中,使用3D打印技术制造的组件正变得愈加复杂,并且在越来越多的关键应用中被接受和使用。这些应用程序只是有关行业希望与增材制造技术合作的开始。在不久的将来,随着增材制造技术所用的粉末和合金材料性能的不断进步,制造出来的新组件的综合性能也将达到一种更高、更新的水平。 

现在,考虑到增材制造技术正在生产的产品具有更加独特和高度优化的形状,我们也需要一些更加先进的实际检测能力。检测能力和冶金验证必须是增材制造设计和工艺参数的重要组成部分。例如,我们需要真正了解当前的检测现状,以及未来可能需要检测的地方。



在深入研究增材制造检测要点之前,让我们先了解一下复杂的金属增材制造技术。


增材制造技术

首先,增材制造(AM)技术不仅仅是一种技术,而是指一类技术。AM(通常被称为3D打印技术)分为两大类:粉末层熔化(PBF)和直接能量沉积(DED)。这两大类技术中都分别包括了一些其他分类技术。


PBF
直接金属激光烧结(DMLS)
选择性激光烧结(SLS)
选择性激光熔融(SLM)
电子束熔融技术(EBM)


DED
钨极气体保护电弧技术(GTA)
等离子弧技术(PA)
气体保护焊技术(GMA)
等离子弧技术(PTA)
激光束技术(LB)
电子束自由技术(EBF)

在深入了解这些技术之前,我们先了解一下PBF和DED这两类技术的差别。

对于PBF技术,其原理是将均匀的粉末层供给到沉积平面上,在该沉积平面上引导电子束或激光,光束或激光的能量在平面中的所有指定位置照射粉末并使其熔融固化。当该平面完成后,系统将索引到下一个平面并重复该过程。这种情况一直会持续到组件完全构建完毕。在PBF技术中,沉积平面固定在x和y轴上,并且只有当构建平面完全完成时才会在z轴上移动。

在DED技术中,粉末或线材与能量源同步地供应到熔池中,该能量源可以是电子束或激光器。与PBF一样,来自光束或激光的能量将打印材料熔化;但与PBF不同,沉积点不固定在x和y轴方向上,这意味着,正在建造的表面和/或能源将与建造设计相关联移动。此外,DED的另一个不同之处在于,部件层的构建几乎可以在任何方向上进行,这也是这两种增材制造技术之间最大的差异。



因此,PBF和DED都是将材料熔化并融合成设计形状的方法,并且两者都可以形成复杂的形状。不同之处在于材料的引入方式以及部件中每层的形成方式。希望这些能让您更好的了解金属增材制造技术,以及PBF和DED这两个主要的AM分类技术。

既然我们已经知道了AM技术是如何工作的,那么您肯定可以想象出这种技术相比于铸造和锻造方法的许多优势。例如,在没有模具的情况下,AM技术可以在许多方向上构建零件,包括形状非常复杂的零部件,同时还可以构建出不同设计的某一部分,还可以是多部分合并制造。这种制造技术具有无限的可能,因此我们需要确保也具有对所生产部件进行高质量检查的能力。


无损检测方法

虽然目前针对AM的检查方法在许多方面与铸件和锻件的检查并没有什么不同,其中,零件通常需要经过视觉、尺寸、外部和内部测试以及相关的表面粗糙度测试等,但有时也可能完全不同,因为许多组件都是合并和重新设计过的。合并的部件(其中多个部件被简化为一个部件)是特别令人感兴趣的,因为它们将多个部件的几何结构合并到单个的新设计中。由于AM已经被广泛接受,检验界需要跟上,并确保产品的完整性保持在最高质量水平上。


 

非金属增材制造技术前面已经提到,AM产品在一些方面需要经过与铸件和锻件相同的检查,现在我们来看看这些检查的细节。

典型的外表面检查包括:荧光液体渗透检测技术(PT)、视觉检测技术(VT,通常放大至10倍)、表面粗糙度和尺寸检查等。尺寸可以使用量具、坐标测量机(CMM)和白色/红色/蓝色光扫描仪来完成。典型的内部检查则包括射线照相检测技术(RT)、电磁检测技术(ET)、超声波检测技术(UT),在有些情况下还会使用计算机断层扫描技术(CT)。

无论采用的是哪种制造方法,每项检查的宗旨都是相同的。铸件和锻件是全身制造方法,意味着整个部件将一次成型。AM产品则是分层建造,厚度通常为0.001~0.003英寸,具体则取决于系统和材料。这种差异就决定了为什么必须重视AM产品的检查,并将一些可能不同的重点放在专门的检查上。 


 


传统的非破坏性检查对AM部件的执行情况大致相同,但同时AM制造方法给传统的无损检测技术也带来了一些新的限制,这些限制主要是由表面粗糙度和薄层构造所引起的。一些AM部件的表面粗糙度过大(至少在某些区域),使得液体渗透检测、视觉检测、电磁检测和超声波检测难以进行。粗糙度使得视觉观察也变得非常困难和主观,另外还使得一些接触探针的方法难以执行。

在了解了这些特定检测方法的局限性后,大多数增材制造供应商们已经转向使用射线照相内部检查方法。射线照相法检测(RT),尤其是数字RT(DR)和计算机断层扫描技术是目前许多AM制造商的首选方法。这些检测技术既可用于检测产品的严重缺陷,也可用于确认其内部的几何形状。其中CT技术还能够进行几何验证,而DR技术在粗略缺陷检测方面更有优势。然而令人遗憾的是,这两种方法都不能够像确定单层水平面上的缺陷那样敏感。

逐层构建/打印AM部件会引入不连续性特征,而这种情况在铸件和锻件中是不会形成的。每个单独的层都容易出现一些缺陷,由于每层的厚度都很薄,检测灵敏度或分辨率将是一个非常关键的因素。DR和CT技术具有不同的灵敏度,可适用于AM产品中产生的较大缺陷,但是构建层的厚度约为最佳X射线分辨率水平的1/3,所以X射线捕获的是三层厚度的夹层。除了分辨率问题之外,几何和密度也在一定程度上限制了这两种检测方法,并且可以使DR和CT技术检测结果的解释变得非常主观且不可靠。较厚的墙壁、内部空腔、半径和简单的平面都是限制传统NDT方法的一些重要因素。

所有的外部检查都会受到表面粗糙度的限制,而内部射线检查由于分辨率差也非常受限。大多数公司以前都使用经过破坏性测试的冶金样品来验证每个构建产品的完整性。然而,虽然在相同条件下,这些样品与整个产品构建在同一构建板上,但是一个拉伸样品可以代表所有部件吗?这一部分是否与另一部分完全相同呢?


过程补偿共振技术

我们现在知道了大多数行业在当前标准技术下所面临的问题。现在需要的是一种能够定量检测和评估每个AM生产部件的检查方法,该方法需要由部件的结构完整性驱动。目前,可以提供这种检查的选择并不多,但有一个值得讨论的是过程补偿共振技术(简称PCRT)。


 


PCRT是一种在AM研究中显示出巨大潜力的方法。它是一种全身检查方法,所使用的部分共振,也称为固有频率技术,对整个部件的材料/完整性/尺寸条件非常敏感。该技术可用于识别结构不同的部件(这些结构会对部件的性能或材料特性产生不利的影响)。它使用统计处理和模式识别工具来分辨不合格的零部件,既属于内部检查,也是外部检查技术。


 


PCRT检测数据可用于在构建后监控每个部件,以确保其是否符合给定的可接受范围或公差,或者可以“教导”它检测特定的缺陷类型,甚至可以检测样品中的模拟缺陷。PCRT分析可以通过实例来学习,例如可接受的部分变化和不可接受的缺陷条件,如孔隙率或熔融不充分等,或者可以建模用于预测响应,然后可以将那些建模的响应编程到检测算法中,从而使检测人员可以非常快速地检测已知的结构问题。


 


 

过程补偿共振技术在增材制造技术中的使用;图片来源:Vibrant


虽然PCRT能够报告哪些样品与标称参考样品有所不同,但这种技术一般不能用于定位、定量尺寸或表征缺陷。PCRT可用于隔离同一构建板内具有使用DR和CT技术可能无法检测到的单层缺陷的部件。 

在一些增材制造研究中,PCRT已经用于检测AM产品中不可接受的孔隙率、裂缝、熔融不充分的地方等缺陷,此外,这还是一个相对快速的过程。每个部件的测量时间为30秒至3分钟,因此可用作100%检测。它不需要使用化学品,也不会产生能源和材料浪费。PCRT的检测对象是单个打印组件,需要从构建板上移除后再进行。


 


PCRT检测已用于具有复杂几何形状的商业航空航天应用中,在提高了部件可靠性的同时,还降低了检查和部件更换的成本,并且可能开启增材制造产品检查的未来和希望。

结  语

目前常用的一系列检查方法都不能提供所需的单个部件验证,工业界目前依赖的是假定具有代表性的拉伸样品,来确认零件批次材料是否符合要求。现在,PCRT能够满足这些需求,为生产就绪的产品提供100%检测选项,包括量化检测结果、支持过程监控、质量保证和持续改进等。


作者:Gregory James Weaver
译自:qualitymag
译者:Vince

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