浮華去，盡顯本色。歷經(jīng)資本的過度追捧與去除泡沫的低谷之后，我國的3D打印進(jìn)入了良性成長階段。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21.0%，增速較去年提高了3.6個百分點。2018年上半年，全球增材制造增速實現(xiàn)反彈。預(yù)計2020年全球增材制造產(chǎn)值將達(dá)289億美元，預(yù)測到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)展的一個重要因素—在線監(jiān)測技術(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)測技術(shù)。
3D打印市場廣闊
2018年上半年，全球增材制造增速實現(xiàn)反彈，據(jù)IDC預(yù)測，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，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)景這邊獨好，中國保持著高于全球的增速。但原創(chuàng)還是少的有點可惜。據(jù)統(tǒng)計，2015-2017年的3年間，中國增材制造產(chǎn)業(yè)規(guī)模實現(xiàn)了翻倍增長，年均增速超過30%。2017年，中國增材制造領(lǐng)域相關(guān)企業(yè)超過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個百分點。2018年上半年，中國增材制造產(chǎn)業(yè)維持25%以上增速。世界一直在關(guān)注中國，而中國則會非常關(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)實力明顯增強(qiáng)。全省增材制造產(chǎn)業(yè)年產(chǎn)值超過20億元，約占全國10%，年均增速30%以上。培育形成一批億元以上重點企業(yè)，其中年銷售收入超2億元、擁有核心知識產(chǎn)權(quán)和自主品牌、具有國際競爭力和影響力的領(lǐng)軍企業(yè)2-3家。
在線監(jiān)測的重要性
在2011年年底，全球知名公司，GE的增材制造實驗室經(jīng)理Prabhjot Singh觀察到：“增材制造的零件由數(shù)以千計甚至萬計的分層構(gòu)建而成，每一層的問題都有可能使得整個零件構(gòu)建失敗。我們?nèi)匀徊幻靼祝瑸槭裁床煌O(shè)備生成的零件會略有不同，甚至同一臺設(shè)備在不同的一天中生成的零件也會略有不同” 。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。上游想多問題我們甚至還沒有來得及對其進(jìn)行思考。
到了如今，這一評估在很大程度上仍然正確。與此同時，包括GE航空發(fā)動機(jī)公司在內(nèi)的先驅(qū)者多年來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)庫和確認(rèn)每臺設(shè)備是否合格。他們將可能在未來12至18個月內(nèi)開始提速其生產(chǎn)，他們沒有對其生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行過程監(jiān)控或閉環(huán)激光功率控制，而是憑借自己深厚的知識儲備來生產(chǎn)質(zhì)量優(yōu)良的零件。
如今，增材制造過程監(jiān)控所借鑒的傳感技術(shù)大多來自激光焊接等成熟工藝的經(jīng)驗。因此，它們有可能不是實時檢測增材制造過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。目前正在對激光粉末床的相互作用進(jìn)行物理上的互動模擬，并建立詳細(xì)的數(shù)據(jù)庫，包括材料性能、工藝參數(shù)和粉末特征。未來幾年，這些技術(shù)將可能幫助制造商研發(fā)出最理想的監(jiān)測器和傳感器，逐點監(jiān)測熔池或是接近熔池的點。同時，快速的創(chuàng)新會繼續(xù)進(jìn)行，盡管真正強(qiáng)有力的過程監(jiān)控與控制可能仍然需要數(shù)年之久才能實現(xiàn)，但這一天肯定會來得比我們想象的要早一些。考慮到主要的制造商在計劃批量生產(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。和增材制造過程監(jiān)控相關(guān)的各種技術(shù)正在你追我趕，且看誰能勝出。
激光增材制造（LAM）設(shè)備有兩種類型：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)成為一個大問題；三是國內(nèi)仍以離線檢測為主，在線檢測技術(shù)匱乏，國外正在積極的發(fā)展和推出在線監(jiān)測技術(shù)。我國也正在國家和相關(guān)部位、省市的支持下開展通過以鈦合金、合金鋼、鋁合金、高溫合金等金屬增構(gòu)件增材制造過程為主線，建立復(fù)雜構(gòu)件增材制造在線無損檢測方法，同時重點突破內(nèi)部缺陷、應(yīng)力應(yīng)變及元素成分的高效無損檢驗方法，并且研究冶金缺陷的形成機(jī)理、缺陷特征、無損檢測特性和力學(xué)性能評價方法，研發(fā)基于多能束集成在線無損檢測系統(tǒng)的增材制造裝備。如下介紹一個在線監(jiān)測的神器，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)簡介
我們首先來簡要的揭開該神器神秘的面紗，它由一個短周期的波蕩器，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。一對狹縫用來確定X-射線的尺寸。該探測系統(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）和一個高速攝像機(jī)（Photron FastCam SA-Z, USA）。衍射得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過自主研發(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 增材制造時動態(tài)X-射線影像。此時的激光功率分別為(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時打開，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 增材制造時熔池的動態(tài)演變過程： (a) 熔池在t=0、 200、 400、600、800、、 1000s時的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，此時的激光功率為520W，光斑尺寸為~220m (1/e2), 激光在t=0時打開，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 增材制造時粉末的動態(tài)演變過程：(a) 在不同時間拍攝到的粉末動態(tài)行為，其中紅色的箭頭顯示的每個粉末個體的運(yùn)動情況，此時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)動的軌跡， (c,d) 粉末運(yùn)動的統(tǒng)計結(jié)果；
激光熔化過程中Ti-6Al-4V 合金板材的凝固速率的測量結(jié)果 (a) 動態(tài)X-射線采集到的凝固過程的圖像：采集時間節(jié)點 t=1370、 1470、1570、 1670、 1770、1870s，紅色的點位于（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，每一點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P3處隨時間而變化的凝固速率，凝固速率計算時考慮的時間范圍大于50s 。(c) 隨方位角而變化的平均凝固速率，平均凝固速率的計算是考慮（b）中平衡生長過程而得到的結(jié)果，方向角的定義在（a）中給出
激光熔化Ti-6Al-4V和凝固時得到的高速X射線衍射結(jié)果：(a) 一個時間序列是三個代表性的衍射模式的結(jié)果，時間節(jié)點分別為 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。
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