浮華去，盡顯本色。曆經資本的過度追捧與(yu) 去除泡沫的低穀之後，我國的3D打印進入了良性成長階段。數據顯示，2017年，全球增材製造(即3D打印)產(chan) 業(ye) 產(chan) 值73.36億(yi) 美元，同比增長21.0%，增速較去年提高了3.6個(ge) 百分點。2018年上半年，全球增材製造增速實現反彈。預計2020年全球增材製造產(chan) 值將達289億(yi) 美元，預測到2025年全球增材製造產(chan) 業(ye) 可能產(chan) 生高達2000-5000億(yi) 美元經濟效益。但製約增材製造快速的發展的一個(ge) 重要因素—在線監測技術卻嚴(yan) 重製約了3D打印的發展，我們(men) 將陸續為(wei) 大家展現增材製造中的在線監測技術。

3D打印市場廣闊

2018年上半年，全球增材製造增速實現反彈，據IDC預測，2020年全球增材製造產(chan) 值將達289億(yi) 美元，麥肯錫則預測，2025年全球增材製造產(chan) 業(ye) 可能產(chan) 生高達2000-5000億(yi) 美元經濟效益。

風景這邊獨好，中國保持著高於(yu) 全球的增速。但原創還是少的有點可惜。據統計，2015-2017年的3年間，中國增材製造產(chan) 業(ye) 規模實現了翻倍增長，年均增速超過30%。2017年，中國增材製造領域相關(guan) 企業(ye) 超過500家，產(chan) 業(ye) 規模已達100億(yi) 元，增速略微放緩至25%左右，但仍高於(yu) 全球4個(ge) 百分點。2018年上半年，中國增材製造產(chan) 業(ye) 維持25%以上增速。世界一直在關(guan) 注中國，而中國則會(hui) 非常關(guan) 注江蘇。到2020年，江蘇省增材製造產(chan) 業(ye) 從(cong) 材料、工藝、軟件、核心器件到裝備的產(chan) 業(ye) 鏈進一步完善，產(chan) 業(ye) 實力明顯增強。全省增材製造產(chan) 業(ye) 年產(chan) 值超過20億(yi) 元，約占全國10%，年均增速30%以上。培育形成一批億(yi) 元以上重點企業(ye) ，其中年銷售收入超2億(yi) 元、擁有核心知識產(chan) 權和自主品牌、具有國際競爭(zheng) 力和影響力的領軍(jun) 企業(ye) 2-3家。

在線監測的重要性

在2011年年底，全球知名公司，GE的增材製造實驗室經理Prabhjot Singh觀察到：“增材製造的零件由數以千計甚至萬(wan) 計的分層構建而成，每一層的問題都有可能使得整個(ge) 零件構建失敗。我們(men) 仍然不明白，為(wei) 什麽(me) 不同設備生成的零件會(hui) 略有不同，甚至同一台設備在不同的一天中生成的零件也會(hui) 略有不同” 。增材製造顯著不同於(yu) 傳(chuan) 統的減材製造，二區增材製造的曆史還非常的短。上遊想多問題我們(men) 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(yu) 此同時，包括GE航空發動機公司在內(nei) 的先驅者多年來一直研究他們(men) 的增材製造設備的細微差別，表征工藝窗口和靈敏度，創建工藝數據庫和確認每台設備是否合格。他們(men) 將可能在未來12至18個(ge) 月內(nei) 開始提速其生產(chan) ，他們(men) 沒有對其生產(chan) 設備進行過程監控或閉環激光功率控製，而是憑借自己深厚的知識儲(chu) 備來生產(chan) 質量優(you) 良的零件。

如今，增材製造過程監控所借鑒的傳(chuan) 感技術大多來自激光焊接等成熟工藝的經驗。因此，它們(men) 有可能不是實時檢測增材製造過程中的異常的最佳手段。金屬增材製造仍然處於(yu) 發展的早期階段，設備和粉末材料的相關(guan) 技術在發生著日新月異的變化。傳(chuan) 感和數據分析技術也是如此。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，並建立詳細的數據庫，包括材料性能、工藝參數和粉末特征。未來幾年，這些技術將可能幫助製造商研發出最理想的監測器和傳(chuan) 感器，逐點監測熔池或是接近熔池的點。同時，快速的創新會(hui) 繼續進行，盡管真正強有力的過程監控與(yu) 控製可能仍然需要數年之久才能實現，但這一天肯定會(hui) 來得比我們(men) 想象的要早一些。考慮到主要的製造商在計劃批量生產(chan) 增材製造的金屬零件，我們(men) 期待看到更多的關(guan) 注投放到這一領域以及更多積極的研發行動。和增材製造過程監控相關(guan) 的各種技術正在你追我趕，且看誰能勝出。

激光增材製造（LAM）設備有兩(liang) 種類型：粉末床和送粉式。如下圖所示：

目前的的現狀是工藝重複性和質量可靠性尚未得到優(you) 先解決(jue) ，從(cong) 而導致批量生產(chan) 成為(wei) 一個(ge) 大問題；三是國內(nei) 仍以離線檢測為(wei) 主，在線檢測技術匱乏，國外正在積極的發展和推出在線監測技術。我國也正在國家和相關(guan) 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製造過程為(wei) 主線，建立複雜構件增材製造在線無損檢測方法，同時重點突破內(nei) 部缺陷、應力應變及元素成分的高效無損檢驗方法，並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(jia) 方法，研發基於(yu) 多能束集成在線無損檢測係統的增材製造裝備。如下介紹一個(ge) 在線監測的神器，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(men) 首先來簡要的揭開該神器神秘的麵紗，它由一個(ge) 短周期的波蕩器，其間隙為(wei) 12mm，可以產(chan) 生多色X射線，該多色X射線的一次諧波能量位於(yu) 24.4keV (λ=0.508)處。一對狹縫用來確定X-射線的尺寸。該探測係統由LuAG:Ce閃爍體(ti) （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。衍射探測係統整合了LYSO閃爍體(ti) 、量子躍遷像增強器（Stanford Computer Optics Inc., Berkeley, CA）和一個(ge) 高速攝像機（Photron FastCam SA-Z, USA）。衍射得到的數據經過自主研發的軟件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 增材製造時動態X-射線影像。此時的激光功率分別為(wei) (a) 340W；(b) 520W，激光束尺寸：為(wei) ~220m (1/e2)。粉末尺寸為(wei) 5–45m，粉末層厚度~100m。激光在t=0時打開，持續加熱發光直到 t=1000s。數據的采集頻率為(wei) 50kHz。每副圖像的曝光時間間隔為(wei) 350ns，該圖上的放大標尺為(wei) 200m。

激光粉末床技術進行Ti-6Al-4V 增材製造時熔池的動態演變過程： (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的邊界線，紅色線是固體(ti) -液體(ti) 的界麵線，此時的激光功率為(wei) 520W，光斑尺寸為(wei) ~220m (1/e2), 激光在t=0時打開，持續加熱發光直到 t=1000s 。粉末尺寸為(wei) 5–45m，粉末層厚度~100m。 (b–d) 兩(liang) 種不同的激光狀態下激光加熱時間同熔池尺寸和形狀之間的關(guan) 係， (b) 深度 , (c) 深寬比 (深度/寬度), (d) 公稱截麵積 。 (d) 中的插圖為(wei) 穩態的熔池，所有的標尺包括（d）中的插圖為(wei) 100m 。

激光粉末床技術進行Ti-6Al-4V 增材製造時粉末的動態演變過程：(a) 在不同時間拍攝到的粉末動態行為(wei) ，其中紅色的箭頭顯示的每個(ge) 粉末個(ge) 體(ti) 的運動情況，此時的激光功率和光斑尺寸為(wei) 520W 和 ~220m (1/e2)，粉末尺寸為(wei) 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X-射線采集到的凝固過程的圖像：采集時間節點 t=1370、 1470、1570、 1670、 1770、1870s，紅色的點位於(yu) （a）中的熔池中心，藍色的圓圈圈是固體(ti) -液體(ti) 界麵處追溯的目標點，每一點紅色箭頭所指示的為(wei) 凝固速率，所有的放大標尺為(wei) 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範圍大於(yu) 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(yi) 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(ge) 時間序列是三個(ge) 代表性的衍射模式的結果，時間節點分別為(wei) t=1ms、 3.5ms、and 11ms，圖（a1）中強度均勻分布的連續衍射環是開始狀態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，而繼續回到衍射環的狀態（a3）則是晶粒相變到細小晶粒的狀態的反映，（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。