LLNL金屬3D打印無損檢測新研究，為制造提供更好的模擬、工藝和預(yù)測數(shù)據(jù)

2025年9月26日，南極熊獲悉，來自勞倫斯利弗莫爾國家實驗室 (LLNL) 的無損檢測 (NDE) 小組的研究人員正在開發(fā)一些方法，用于觀察打印過程中金屬 3D 打印結(jié)構(gòu)內(nèi)部材料和結(jié)構(gòu)的演變情況。這些 NDE 技術(shù)可以成為金屬增材制造 (AM) 的賦能技術(shù)，為制造商提供所需的數(shù)據(jù)，以開發(fā)更完善的模擬、工藝參數(shù)和預(yù)測控制，從而確保零件的質(zhì)量和一致性。

LLNL材料工程部 (MED) 無損檢測超聲波和傳感器組組長 David Stobbe 說道：“如果想讓全球各地的人們都能使用金屬增材制造部件，就需要無損檢測 (NDE)。如果我們能夠證明增材制造部件的性能符合設(shè)計要求，它們就能得到廣泛應(yīng)用，并被用于航空航天、能源和其他領(lǐng)域的安全關(guān)鍵部件，并有望開辟制造業(yè)的新范式?！?/div>

無損檢測 (NDE) 技術(shù)涉及將 X 射線、超聲波或電流等信號穿過物體，并觀察信號變化以推斷信息或重建內(nèi)部圖像。無損檢測 (NDE) 對所有制造部件的質(zhì)量控制都至關(guān)重要，但對于金屬增材制造 (AM) 而言，它還能幫助及早發(fā)現(xiàn)打印問題。

△實驗裝置示意圖展示了振動基板上熔池的高速 X 射線成像實驗裝置。

大多數(shù)金屬增材制造技術(shù)利用熱量將材料粘合在一起，而由于金屬對熱極其敏感，打印過程中結(jié)構(gòu)會發(fā)生很大變化。熱量會從打印表面擴散到已打印的結(jié)構(gòu)中，這會影響材料的粘合效果，產(chǎn)生導(dǎo)致故障的缺陷，并導(dǎo)致產(chǎn)品不一致。

實驗室大氣、地球和能源部門 (AEED) 的研究科學(xué)家 Saptarshi Mukherjee 說道：“如果想要獲得一致的打印質(zhì)量，就需要測量和表征地下不斷變化的過程。這非常具有挑戰(zhàn)性，因為目前大多數(shù)無損檢測 (NDE) 技術(shù)無法穿透熱量，即使是紅外攝像機和天線也只能探測到表面的熱量?！?/div>

Mukherjee 參與了一個利用渦流（通過施加磁場誘發(fā)的渦流環(huán)）監(jiān)測激光粉末床熔合 (LPBF) 金屬增材制造 (AM) 過程中內(nèi)部溫度的項目。渦流對電導(dǎo)率敏感，而電導(dǎo)率是溫度的函數(shù)，因此渦流傳感器可以提供結(jié)構(gòu)內(nèi)部的實時局部溫度信息。密歇根州立大學(xué)的合作者進行的模擬表明該方法可行，研究團隊通過一個簡單的實驗對其進行了驗證，并于最近在《科學(xué)報告》上發(fā)表了一篇題為“In-situ 3Dtemperature field modeling and characterization using eddy current for metaladditive manufacturing process monitoring”的論文。

△經(jīng)超聲波處理和未經(jīng)超聲波處理的增材制造部件的熔池動力學(xué)和凝固的X射線圖像。圖中所示的管狀氣孔被稱為匙孔空洞，是金屬增材制造部件中最常見的缺陷之一。

MED 博士后 EthanRosenberg 說：“據(jù)我們所知，這是第一次使用渦流傳感器來觀察這些非?？焖俚姆瞧胶鉄徇^程，這暗示了你在金屬 AM 過程中會看到的那種熱過程?！绷_森伯格目前正在領(lǐng)導(dǎo)一項后續(xù)研究的實驗測試，采用更接近真實世界的條件，例如不均勻加熱和更快的時間尺度。

無損檢測 (NDE) 小組負責(zé)人Joe Tringe 于 2018 年啟動了首個實驗室指導(dǎo)研發(fā) (LDRD) 項目。自此之后，研究小組一直在開拓新領(lǐng)域，以跟上金屬增材制造 (AM) 的步伐。在他們的第一個項目中，展示了毫米波特征可以有效地表征用于在液態(tài)金屬噴射中創(chuàng)建結(jié)構(gòu)的單個液態(tài)金屬液滴的形狀。最終，他們收集了足夠的數(shù)據(jù)來訓(xùn)練機器學(xué)習(xí)算法來預(yù)測液滴的形狀。

Stobbe 說：“如果我們能夠?qū)⒎答伵c系統(tǒng)建模結(jié)合起來，我們就能實時了解打印參數(shù)是否有效或者是否需要更改，這樣我們就能得到我們想要的結(jié)果?！?/div>

后續(xù)項目擴展到電阻斷層掃描（測量電流電壓和電勢的變化）、X射線計算機斷層掃描、超聲波和中子檢測，重點關(guān)注晶格結(jié)構(gòu)和其他復(fù)雜的幾何形狀。

研究團隊還使用無損檢測 (NDE) 來檢測激光金屬增材制造 (AM)中的加工參數(shù)，例如超聲處理（利用超聲波產(chǎn)生振動并改善均質(zhì)化） 。在最近發(fā)表于《通訊材料》(Communications Materials) 雜志的一篇題為“High-speed synchrotronX-ray imaging of melt pool dynamics during ultrasonic melt processing of Al6061”論文中，研究團隊與賓夕法尼亞州立大學(xué)和阿貢國家實驗室的合作者證明，他們可以使用高速同步加速器 X 射線成像進行這些測量。這項技術(shù)是了解超聲處理對打印影響的第一步，將有助于制造商優(yōu)化工藝，提高零件質(zhì)量。

羅森伯格說道：“增材制造過程中會發(fā)生很多影響零件的事情，但如果不使用無損檢測技術(shù)，它就像一個黑匣子。憑借獨創(chuàng)性和良好的物理理解，你可以打開這個盒子，看看里面發(fā)生了什么，這有望幫助你控制整個過程?！?/div>

研究團隊計劃繼續(xù)發(fā)展、改進和推廣各種用于金屬增材制造的無損檢測技術(shù)，因為不同的技術(shù)更擅長測量不同類型的信息。他們還希望訓(xùn)練機器學(xué)習(xí)算法，以便在打印過程中進行實時監(jiān)控和糾錯，從而提高成功率。

他們在此過程中收集的信息對于廣泛采用金屬 AM 至關(guān)重要，他們希望他們的工作也將有助于提高人們對新興領(lǐng)域 NDE 機會的認識。斯托布說：“這真的有點像淘金熱。你正在做或測量一些你知道以前沒人做過或測量過的事情，因為這是一項新技術(shù)，這當(dāng)然令人興奮?！?/div>