金属增材制造（AM）技术能够打印形状复杂、机械性能独特的金属结构，有望带来革命性的变革。然而，如果不深入了解金属增材制造结构在3D打印过程中的性能表现，这项技术仍然不够可靠，难以在制造业中广泛应用，而且零件质量仍然是一个挑战。

劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）无损评估（NDE）小组的研究人员正致力于攻克这一难题，他们开发出首创技术用以观察金属增材制造（AM）构件在打印过程中内部材料与结构的演变规律。这些无损评估技术有望成为金属增材制造的关键支撑技术，为制造商提供必要数据，从而优化仿真模型、工艺参数及预测性控制方案，最终确保构件的质量一致性与可靠性。

材料工程部（MED）无损检测超声波和传感器组组长David Stobbe表示，“如果想让全球各地的人们都能使用金属增材制造部件，就需要无损检测技术。如果我们能够证明增材制造部件的性能符合设计要求，那么它们将得到广泛应用，并有望成为航空航天、能源和其他领域安全关键部件的首选，并有望开创制造业的新范式。”

中间测量

无损检测（NDE）技术涉及将X射线、超声波或电流等信号穿过物体，并观察信号变化以推断信息或重建内部图像。无损检测（NDE）对所有制造部件的质量控制都至关重要，但对于金属增材制造（AM）而言，它还能帮助及早发现打印问题。

大多数金属增材制造技术利用热量将材料粘合在一起，而由于金属对热极其敏感，打印过程中结构会发生很大变化。热量会从打印表面扩散到已打印的结构中，这会影响材料的粘合效果，产生导致故障的缺陷，并导致产品不一致。

实验室大气、地球和能源部门（AEED）的研究科学家Saptarshi Mukherjee表示，“如果想要获得一致的打印质量，就需要测量和表征地下不断变化的过程。这非常具有挑战性，因为目前大多数无损检测（NDE）技术无法穿透热量，即使是红外摄像机和天线也只能探测到表面的热量。”

Mukherjee参与了一个利用涡流（通过施加磁场诱发的涡旋电流环）监测激光粉末床熔合（LPBF）金属增材制造（AM）过程中内部温度的项目。涡流对电导率敏感，而由于电导率是温度的函数，因此涡流传感器可以提供结构内部的实时局部温度信息。

密歇根州立大学合作者的模拟表明该方法是可行的，并且该团队通过一个简单的实验对其进行了验证，并最终在《科学报告》上发表了一篇论文。

“据我们所知，这是第一次使用涡流传感器来观察这些非常快速的非平衡热过程，这暗示了在金属AM过程中会看到的那种热过程，”MED博士后Ethan Rosenberg说。

罗森伯格目前正在领导一项后续研究的实验测试，该研究采用更接近真实世界的条件，例如不均匀加热和更快的时间尺度。

开拓者

NDE小组负责人Joe Tringe于2018年在该领域启动了第一个实验室指导研究与开发（LDRD）项目，从那时起，该小组一直在开拓新领域以跟上金属AM的步伐。

在他们的第一个项目中，该团队展示了毫米波特征可以有效地表征用于在液态金属喷射中创建结构的单个液态金属液滴的形状。他们最终收集了足够的数据来训练机器学习算法来预测液滴的形状。

“如果我们能够将反馈与系统建模结合起来，我们就能实时了解打印参数是否有效或者是否需要更改，这样我们就能得到我们想要的结果，”斯托布说。

后续项目扩展到电阻断层扫描（测量电流电压和电势的变化）、X射线计算机断层扫描、超声波和中子检测，重点关注晶格结构和其他复杂的几何形状。

该小组还使用NDE检查基于激光的金属AM中的加工参数，例如超声处理。

在最近发表于《通讯材料》杂志的一项研究中，该团队与宾夕法尼亚州立大学和阿贡国家实验室的合作者证明，他们可以使用高速同步加速器X射线成像进行这些测量。这项技术是了解超声处理对打印影响的第一步，将有助于制造商优化工艺，提高零件质量。

罗森伯格称，“增材制造过程中会发生很多影响零件的事情，但如果不使用无损检测技术，它就像一个黑匣子。”