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3D打印無損檢測現狀

  3D打印技術,即增材制造技術的出現被認為是21世紀機械制造工業領域中的一次跨時代的工藝技術革新,給現代社會帶來了巨大的沖擊和震撼。與傳統機械制造技術,即減材制造技術(如切削加工)及等材制造技術(如鍛造、鑄造、粉末冶金)相比,3D打印技術有許多無法比擬的優勢。但是,3D打印制品也會出現很多缺陷,要想在不破壞制品的情況下控制其質量,這個時候就該無損檢測大顯身手了。

  1、3D打印制品無損檢測的現狀

  3D打印制品在制備和使用過程中,某些缺陷的產生和擴展是無法避免的。2000年,美國空軍研究實驗室、英國伯明翰大學以及曼徹斯特大學分別在TC4及316L不銹鋼激光快速成形件內部,觀察到了氣孔及融合不良缺陷。因此,對該技術制造出的零件表面及內部質量檢測和驗收評定的關鍵技術的發展的好壞,直接制約了該技術在工程上的應用前景。

  目前,國內外的科研人員已對該方面的應用開展了一些的工作,主要集中在研究內部缺陷的特征和形成原因,但是還未能完整地有機形成一個系統,后續還有許多工作需要我們去推進完成。

  研究表明,根據3D打印材料中缺陷形成的不同特征,歸納出3D打印中產生缺陷的主要原因有兩方面:

 ?、俨牧咸匦詫е碌娜毕?,它由材料特性導致的無法通過優化3D打印特征參數予以解決的缺陷,主要為氣孔;

 ?、谔卣鲄⒘繉е碌娜毕?,即在3D打印中,由于工藝參數或設備等原因導致的缺陷,可以稱之為特征參量導致的缺陷,主要有孔洞、翹曲變形、球化、存在未熔顆粒等。

  2007年,西北工業大學的研究人員對3D打印鈦合金制品的缺陷形成機理作了進一步研究。發現氣孔的形成取決于粉末材料的特性(主要是指粉末的松裝密度),形成的氣孔形貌呈球形,它以隨機性分布在材料中;粉末的流動性和氧含量對氣孔的形成沒有影響;熔合不良形成取決于成形特征參量是否匹配,其中最主要的影響因素是能量密度、多道間搭接率以及Z軸單層行程;其形貌不規則,內壁粗糙,多呈帶狀分布在層間或道間的搭接處。

  2011年,華中科技大學的研究人員就選擇性激光融化成形不銹鋼零件性能中粉末特性的影響做了細致研究。發現粉末的粒度、形狀及粉末中氧的質量含量對零件成形質量均有較大影響。在一定范圍內,粒度越小,成形件致密度越高,但太小的粒度將影響粉末的流動性,反而降低制件成形質量。

  2011年,尚曉峰等人通過從工藝參數、設備性能和材料特性等方面來研究制品中形成的缺陷,發現送粉延遲會造成欠堆積或過堆積的形成,直接造成成形尺寸精度下降;比能量是產生粘粉的根本原因,不同比能量會產生不同的冷卻速度,比能量越高,冷卻速度越快。冷卻速度過快,會造成粉末顆粒熔化不充分,未熔化的粉末顆粒粘附在成形件表面或側壁上,降低了成形件表面質量。

  2013年,西班牙加泰羅尼亞理工大學的研究人員采用高頻(45MHz)自動水浸超聲技術對金屬粉末材料的密度、裂紋和未熔合的探測與表征做了研究測試。研究表明超聲檢測不僅能夠用于3D打印制品內部質量檢測和在役檢測,還可以發展成為一個可靠的質量論證工具;甚至可作為3D打印制造工藝研究的輔助工具,指導其技術升級與創新。

  2014年,澳大利亞莫納什大學的研究人員使用多色X射線技術,對選擇性激光熔融的哈斯特洛伊耐蝕鎳基合金制品進行了射線檢測靈敏度試驗研究;研究表明射線檢測的分辨率不僅與材料的厚度有關還與缺陷的位置有很大關系;對于2mm厚度的該類制品,射線檢測的分辨率為0.2mm,對于10mm的厚度則不到2mm。

  2、3D打印制品無損檢測的展望

 ?。?)3D打印的原材料檢測

  3D打印的原材料為粉體或絲材,其形態與傳統板材、棒材、鍛件等有較大區別;因此,其理化特性的測試檢驗項目與傳統減材加工技術的原材料有很大的不同,諸如力學性能、金相組織等項目無法進行。除化學成分分析外,粉體材料應著重關注其粒度、粒度分布、形貌及顆粒中的空隙等參量。

 ?。?)3D打印制品的超聲檢測

  無損檢測的方法不僅僅局限于材料內部缺陷的檢測與表征,還可實現材料的密度、彈性參數、孔隙率、殘余應力分布以及其內部各種非連續性等方面的無損測試與表征;整個過程可實現快速、無損、原位的結果,對縮短材料的研發與生產周期和成本有積極意義。

  例如:在制備過程中使用超聲檢測來實時監控3D打印制品中殘余應力的分布,防止其翹曲和開裂;在產品的研發階段,使用超聲檢測結合數字計算機技術可以為制品提供其相應的密度、彈性參數、孔隙率,指導產品研發工藝的提高與升級,為制備出樣品出更高質量的3D打印制品發揮出“燈塔”作用。

  由于3D打印材料晶界組織的微小化,必須對超聲檢測的相關條件進行提高和拓展,超聲檢測走向高頻化和定量化的趨勢將更加明顯。

 ?。?)3D打印制品的射線檢測

  射線檢測對于復雜構件的檢測有著天然的優勢,基于這一點上,射線在3D打印制品的檢測上必將承擔更加重要的角色,未來,配合高分辨率的工業CT和DR技術,射線檢測在3D打印的發展中將發揮更大的作用。

  未來工業射線技術在3D打印的應用中,將集數字計算機技術發展于一體,在具有突出檢測結果顯示直觀化優勢的同時,還將融入邊緣增強或平滑技術,以改善影像的細節,并能進行圖片降噪、灰階對比度調整、偽彩色處理等,可提高制品內部不連續性的檢出率。

  另外,在物理建模上也需要投入力量,通過構建相關的物理模型研究射線在3D打印材料中的作用機理,借助現在的DR技術,開展更加客觀的定量化研究,表征制品內部的殘余應力分布水平、材料的孔隙率等,綜合評估出材料的質量水平。

  由于目前專門針對3D打印樣品的射線檢測應用還很少,對其主要的評價手段和方法還在沿用其它同類鍛件或鑄件的檢測工藝,故發展和開拓這方面的研究具有十分重要的意義。

  在檢測工藝上,需要充分結合樣品的制造工藝,針對其特殊性構建出一套與之匹配的檢測方法和體系。在使用和驗收等級方面,需要考慮到其微觀組織的特殊性,調整各個方面的驗收參數。

 ?。?)3D打印材料微區的無損評估

  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一步了解材料微區的結構和性能、微區再結晶、Kirkendall空穴、成形過程內應力演化行為規律、內部組織形成規律、內部缺陷和損傷形成機理。因此,發展分辨率優于微米量級的微米、納米尺度上的無損評估技術,進行材料微區的力學、電學、磁學和熱學等特性的三維成像和評估,是聲學和其它學科共同的任務。

 ?。?)3D打印制品的早期損傷評估

  3D打印制品的早期損傷評估也將是無損檢測技術發展的一個方向,作為制造過程和狀態預測的一部分,損傷評估技術直接影響到整個裝備系統的安全運行。這就要求我們在現有的基礎上開發出穩定性和靈敏度更高的儀器與設備,并實現遠程評價。

  此外,我們還應該注意到在健康監測方面的應用與“大數據”技術進行結合,實現實時遠程的無損監測,將各種損傷扼殺在“搖籃”當中。

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