X射線斷層成像（X-Ray Computed Tomography）是一種影像診斷學(xué)的檢查。這一技術(shù)曾被稱為電腦軸切面斷層影像（Computed Axial Tomography）。 X射線斷層成像是一種利用數(shù)位幾何處理後重建的三維放射線影像。

    近幾年來，斷層攝影也到了微米的等級(jí)，而如今，國(guó)外將這一技術(shù)用到了金屬3D打印產(chǎn)品的檢測(cè)中。接下來，讓我們一起去看看那些關(guān)于金屬打印質(zhì)量檢測(cè)與監(jiān)測(cè)的那些事兒，并領(lǐng)略國(guó)際上最前沿的檢測(cè)技術(shù)是怎么樣的。

    3D打印制品在制備和使用過程中，某些缺陷的產(chǎn)生和擴(kuò)展是無法避免的。根據(jù)3D打印材料中缺陷形成的不同特征，根據(jù)《無損檢測(cè)》雜志，上海材料研究所助理工程師凌松歸納出3D打印中產(chǎn)生缺陷的主要原因有兩方面：

    ① 材料特性導(dǎo)致的缺陷，它由材料特性導(dǎo)致的無法通過優(yōu)化3D打印特征參數(shù)予以解決的缺陷，主要為氣孔；

    ② 特征參量導(dǎo)致的缺陷，即在3D打印中，由于工藝參數(shù)或設(shè)備等原因?qū)е碌娜毕荩梢苑Q之為特征參量導(dǎo)致的缺陷，主要有孔洞、翹曲變形、球化、存在未熔顆粒等。

    根據(jù)研究，在金屬融化過程中，每個(gè)激光點(diǎn)創(chuàng)建了一個(gè)微型熔池，從粉末融化到冷卻成為固體結(jié)構(gòu)，光斑的大小以及功率帶來的熱量的大小決定了這個(gè)微型熔池的大小，從而影響著零件的微晶結(jié)構(gòu)。

    為了融化粉末，必須有充足的激光能量被轉(zhuǎn)移到材料中，以熔化中心區(qū)的粉末，從而創(chuàng)建完全致密的部分，但同時(shí)熱量的傳導(dǎo)超出了激光光斑周長(zhǎng)，影響到周圍的粉末。當(dāng)激光后的區(qū)域溫度下降，由于熱傳導(dǎo)的作用，微型熔池周圍出現(xiàn)軟化但不液化的粉粒。

    根據(jù)上海材料所凌松，無損檢測(cè)的方法不僅僅局限于材料內(nèi)部缺陷的檢測(cè)與表征，還可實(shí)現(xiàn)材料的密度、彈性參數(shù)、孔隙率、殘余應(yīng)力分布以及其內(nèi)部各種非連續(xù)性等方面的無損測(cè)試與表征；整個(gè)過程可實(shí)現(xiàn)快速、無損、原位的結(jié)果，對(duì)縮短材料的研發(fā)與生產(chǎn)周期和成本有積極意義。凌松對(duì)3D打印制品無損檢測(cè)的展望如下：

    （1）3D打印的原材料檢測(cè)

    3D打印的原材料為粉體或絲材，其形態(tài)與傳統(tǒng)板材、棒材、鍛件等有較大區(qū)別；因此，其理化特性的測(cè)試檢驗(yàn)項(xiàng)目與傳統(tǒng)減材加工技術(shù)的原材料有很大的不同，諸如力學(xué)性能、金相組織等項(xiàng)目無法進(jìn)行。除化學(xué)成分分析外，粉體材料應(yīng)著重關(guān)注其粒度、粒度分布、形貌及顆粒中的空隙等參量。

    （2）3D打印制品的超聲檢測(cè)

    例如在制備過程中使用超聲檢測(cè)來實(shí)時(shí)監(jiān)控3D打印制品中殘余應(yīng)力的分布，防止其翹曲和開裂；在產(chǎn)品的研發(fā)階段，使用超聲檢測(cè)結(jié)合數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)可以為制品提供其相應(yīng)的密度、彈性參數(shù)、孔隙率，指導(dǎo)產(chǎn)品研發(fā)工藝的提高與升級(jí)，為制備出樣品出更高質(zhì)量的3D打印制品發(fā)揮出“燈塔”作用。

    由于3D打印材料晶界組織的微小化，必須對(duì)超聲檢測(cè)的相關(guān)條件進(jìn)行提高和拓展，超聲檢測(cè)走向高頻化和定量化的趨勢(shì)將更加明顯。

    （3）3D打印制品的射線檢測(cè)

    射線檢測(cè)對(duì)于復(fù)雜構(gòu)件的檢測(cè)有著天然的優(yōu)勢(shì)，基于這一點(diǎn)上，射線在3D打印制品的檢測(cè)上必將承擔(dān)更加重要的角色，未來，配合高分辨率的工業(yè)CT和DR技術(shù)，射線檢測(cè)在3D打印的發(fā)展中將發(fā)揮更大的作用。

    在檢測(cè)工藝上，需要充分結(jié)合樣品的制造工藝，針對(duì)其特殊性構(gòu)建出一套與之匹配的檢測(cè)方法和體系。在使用和驗(yàn)收等級(jí)方面，需要考慮到其微觀組織的特殊性，調(diào)整各個(gè)方面的驗(yàn)收參數(shù)。

    （4）3D打印材料微區(qū)的無損評(píng)估

    為了確保3D打印制品的可靠性，研究和制備過程中需要充分地分析3D打印制品的材料性能以及進(jìn)一步了解材料微區(qū)的結(jié)構(gòu)和性能、微區(qū)再結(jié)晶、Kirkendall空穴、成形過程內(nèi)應(yīng)力演化行為規(guī)律、內(nèi)部組織形成規(guī)律、內(nèi)部缺陷和損傷形成機(jī)理。因此，發(fā)展分辨率優(yōu)于微米量級(jí)的微米、納米尺度上的無損評(píng)估技術(shù)，進(jìn)行材料微區(qū)的力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)和熱學(xué)等特性的三維成像和評(píng)估，是聲學(xué)和其它學(xué)科共同的任務(wù)。

    （5）3D打印制品的早期損傷評(píng)估

    3D打印制品的早期損傷評(píng)估也將是無損檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)方向，作為制造過程和狀態(tài)預(yù)測(cè)的一部分，損傷評(píng)估技術(shù)直接影響到整個(gè)裝備系統(tǒng)的安全運(yùn)行。這就要求我們?cè)诂F(xiàn)有的基礎(chǔ)上開發(fā)出穩(wěn)定性和靈敏度更高的儀器與設(shè)備，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程評(píng)價(jià)。

    對(duì)于上述凌松提到的第5條中的早期損傷評(píng)估，即金屬打印過程中質(zhì)量控制。無疑，最好的質(zhì)量控制是過程中控制，但是對(duì)于打印結(jié)果的檢測(cè)仍是必不可少的。而令人頭疼的問題是，現(xiàn)今的無損探傷檢測(cè)技術(shù)對(duì)于金屬3D打印結(jié)果來說，并不是萬能的，一個(gè)顯著的問題是對(duì)于比較簡(jiǎn)單的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，現(xiàn)在的NDE方法是沒問題的，但是隨著產(chǎn)品的復(fù)雜化，現(xiàn)在的NDE方法遇到了極大的挑戰(zhàn)。

    概括來說，當(dāng)前NDE的局限性體現(xiàn)在

    - 難以檢測(cè)復(fù)雜設(shè)計(jì)

    - 缺乏對(duì)關(guān)鍵缺陷類型和大小的定義

    - 物理檢測(cè)參考標(biāo)準(zhǔn)缺乏

    - 缺乏書面檢查程序

    - 缺乏檢測(cè)數(shù)據(jù)的概率統(tǒng)計(jì)

    根據(jù)研究，對(duì)于金屬增材制造的復(fù)雜性可以區(qū)分為五個(gè)層面：1 簡(jiǎn)單的零件、2 優(yōu)化的零件、3 帶有嵌入式設(shè)計(jì)的零件、4 為增材制造設(shè)計(jì)的零件、5 復(fù)雜的胞元結(jié)構(gòu)零件。

    在這方面，賓州大學(xué)將現(xiàn)今的檢測(cè)方式針對(duì)這五個(gè)層面的檢測(cè)有效程度做了分析。我們可以看到在第5個(gè)層級(jí)上只有X射線顯微CT（X-ray Micro CT）是有效的檢測(cè)手段。

    為了達(dá)到對(duì)復(fù)雜零件的檢測(cè)，賓州大學(xué)采取了計(jì)算機(jī)X射線斷層成像（X-Ray Computed Tomography）檢測(cè)技術(shù)，該技術(shù)不僅被用于打印零件的檢測(cè)，還被用于后處理零件的檢測(cè)。

    這其中，GE也將計(jì)算機(jī)X射線斷層成像技術(shù)用于其著名的噴油嘴的檢測(cè)中，從圖片上我們可以看到經(jīng)過熱等靜壓的后處理工藝，GE改進(jìn)了產(chǎn)品的內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)，并提高了產(chǎn)品的抗疲勞性能。

    通過實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜零件的檢測(cè)，當(dāng)前的增材制造行業(yè)有望將過程中加工參數(shù)與模型結(jié)構(gòu)以及零件機(jī)械性能建立有效的相關(guān)性分析，隨著材料特征數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，以及對(duì)加工過程中幾何形狀特征與重要的工藝變量之間關(guān)系的理解，未來我們將有望建立增材制造領(lǐng)域的知識(shí)專家系統(tǒng)，從而將金屬增材制造推向另一個(gè)高度。