浮華去，盡顯本色。歷經資本的過度追捧與去除泡沫的低谷之后，我國的3D打印進入了良性成長階段。數(shù)據(jù)顯示，2017年，全球增材制造(即3D打印)產業(yè)產值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。預計2020年全球增材制造產值將達289億美元，預測到2025年全球增材制造產業(yè)可能產生高達2000-5000億美元經濟效益。但制約增材制造快速的發(fā)展的一個重要因素—在線監(jiān)測技術卻嚴重制約了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。

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預測，2020年全球增材制造產值將達289億美元，麥肯錫則預測，2025年全球增材制造產業(yè)可能產生高達2000-5000億美元經濟效益。

風景這邊獨好，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，中國增材制造領域相關企業(yè)超過500家，產業(yè)規(guī)模已達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，中國增材制造產業(yè)維持25%以上增速。世界一直在關注中國，而中國則會非常關注江蘇。到2020年，江蘇省增材制造產業(yè)從材料、工藝、軟件、核心器件到裝備的產業(yè)鏈進一步完善，產業(yè)實力明顯增強。全省增材制造產業(yè)年產值超過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、擁有核心知識產權和自主品牌、具有國際競爭力和影響力的領軍企業(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建而成，每一層的問題都有可能使得整個零件構建失敗。我們仍然不明白，為什么不同設備生成的零件會略有不同，甚至同一臺設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)動機公司在內的先驅者多年來一直研究他們的增材制造設備的細微差別，表征工藝窗口和靈敏度，創(chuàng)建工藝數(shù)據(jù)庫和確認每臺設備是否合格。他們將可能在未來12至18個月內開始提速其生產，他們沒有對其生產設備進行過程監(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質量優(yōu)良的零件。

如今，增材制造過程監(jiān)控所借鑒的傳感技術大多來自激光焊接等成熟工藝的經驗。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，設備和粉末材料的相關技術在發(fā)生著日新月異的變化。傳感和數(shù)據(jù)分析技術也是如此。目前正在對激光粉末床的相互作用進行物理上的互動模擬，并建立詳細的數(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)進行，盡管真正強有力的過程監(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?？紤]到主要的制造商在計劃批量生產增材制造的金屬零件，我們期待看到更多的關注投放到這一領域以及更多積極的研發(fā)行動。和增材制造過程監(jiān)控相關的各種技術正在你追我趕，且看誰能勝出。

激光增材制造（LAM）設備有兩種類型：粉末床和送粉式。如下圖所示：

目前的的現(xiàn)狀是工藝重復性和質量可靠性尚未得到優(yōu)先解決，從而導致批量生產成為一個大問題；三是國內仍以離線檢測為主，在線檢測技術匱乏，國外正在積極的發(fā)展和推出在線監(jiān)測技術。我國也正在國家和相關部位、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件增材制造過程為主線，建立復雜構件增材制造在線無損檢測方法，同時重點突破內部缺陷、應力應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理、缺陷特征、無損檢測特性和力學性能評價方法，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（Photron FastCam SA-Z, USA）所組成。衍射探測系統(tǒng)整合了LYSO閃爍體、量子躍遷像增強器（Stanford Computer Optics Inc., Berkeley, CA）和一個高速攝像機（Photron FastCam SA-Z, USA）。衍射得到的數(shù)據(jù)經過自主研發(fā)的軟件HiSPoD進行分析處理。

高速X-射線影像和衍射技術裝置示意圖

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激光粉末床技術進行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，該圖上的放大標尺為200m。

激光粉末床技術進行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，所有的標尺包括（d）中的插圖為100m 。

激光粉末床技術進行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種不同的粉末運動的軌跡， (c,d) 粉末運動的統(tǒng)計結果；

激光熔化過程中Ti-6Al-4V 合金板材的凝固速率的測量結果 (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，藍色的圓圈圈是固體-液體界面處追溯的目標點，每一點紅色箭頭所指示的為凝固速率，所有的放大標尺為100m：(b) 目標點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射線衍射結果：(a) 一個時間序列是三個代表性的衍射模式的結果，時間節(jié)點分別為 t=1ms、 3.5ms、and 11ms，圖（a1）中強度均勻分布的連續(xù)衍射環(huán)是開始狀態(tài)下細小晶粒結構的反映。（a2）中強的衍射斑點是粗大β 相形成的反映，而繼續(xù)回到衍射環(huán)的狀態(tài)（a3）則是晶粒相變到細小晶粒的狀態(tài)的反映，（b）時間分辨的衍射強度圖， (c) hcp-(101)的衍射強度和 bcc-(110)的衍射峰。