非线性声学无损检测，3D打印应用的新时代

根据3D科学谷的市场观察，随着增材制造技术变得越来越复杂，并且在生产用于关键应用的最终用途零件方面越来越可行，不可避免地会出现新的问题和挑战。

一旦增材制造流程得到验证，增材制造企业和采用行业就必须考虑如何确保该流程具有可扩展性和行业就绪性。通常，当业界谈论这个话题的时候，关注的更多的是后处理的可扩展性和对更高工作流程自动化的需求。但还有另一个难题必须解决：零件测试和鉴定。

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非线性、更精确、更快

检测对于增材制造行业的作用在逐渐显现，不仅是检测的价值还有大数据的价值，这对于产品从质量管理（输入端的原材料，加工过程，加工结果，后处理的最终产品）到对工艺的理解和提升（通过数据相关性的分析，人工智能对检测以及其他数据的处理），再到后期的认证（怎么通过航空，汽车等领域的各种认证），检测正在发挥增材制造的生命线的作用。 3D科学谷

▲增材制造无损检测

©3D科学谷白皮书

快速、无损、原位

此前，3D科学谷在《从设计到生产，CT 检测在增材制造工艺链中发挥什么作用？》一文中分析了对于增材制造而言，查看零件内部结构的能力至关重要。无损检测技术可以帮助增材制造用户能够以不损坏零件的方式，对零件内部进行可视化。

无损检测的方法不仅仅局限于材料内部缺陷的检测与表征，还可实现材料的密度、弹性参数、孔隙率、残余应力分布以及其内部各种非连续性等方面的无损测试与表征；整个过程可实现快速、无损、原位的结果，对缩短材料的研发与生产周期和成本有积极意义。

根据3D科学谷的市场观察，无损检测技术正在出现更多的检测手段。Theta Technologies 是一家总部位于英国的专门从事无损检测 (NDT) 的公司，正在向市场推出一种称为非线性声学 (NLA) 的新测试工艺，该技术可以帮助制造商自信地实施 AM增材制造来生产关键部件。

Theta 的非线性声学

非线性声学技术是一种无损检测方法，可以使用可听和超声波频率快速且经济高效地检测 3D 打印部件中的缺陷或不一致。根据 Theta 的说法，他们基于 NLA 的专利技术能够检测小于一毫米的裂缝、分层和蠕变，无论打印组件的复杂程度如何。

据称，Theta Technologies 在几秒钟内提供准确的通过/失败结果，显着提高了金属增材制造生产过程的效率，此外，NDT 解决方案操作简单，无需高技能操作员在场即可进行测试，有助于降低过程中的成本。

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但是这个过程是如何工作的？底层的技术逻辑来自于所有组件都具有独特的声学特征，这受材料以及组件特征的形状和大小的影响。Theta利用了这样一个事实，即当改变刺激时，有缺陷的组件的声学特征会发生变化，而无缺陷样本的特征会保持不变。因此，我们可以检测样品中缺陷的非线性响应。

换句话说，该过程使用声波以线性刺激来激发零件。如果零件有任何内部裂缝或缺陷，它将发回非线性响应。这种测试技术可以以不同的方式用于快速分析结构的整体完整性或生成零件结构的详细图片和任何可能的不一致。

Theta 的非线性声学技术不同于线性声学测试过程。存在三个关键差异：NLA 忽略了组件之间的尺寸差异，消除了零件尺寸部分变化的风险；也不受表面缺陷的影响，使 3D 打印部件能够在抛光前进行准确测试；并且它不需要“已知良好”来识别零件中的故障。

Theta 有两个主要的 NLA 测试系统，以不同的方式工作以识别组件中的缺陷，非线性共振 (NLR) 系统一次激发整个组件，并报告一个‘损坏指数’，快速显示组件内任何位置的缺陷响应。扫描 NLA 系统使用局部声学信号生成零件图像，显示与缺陷相对应的高非线性响应区域。对于形状往往非常复杂的增材制造零件，NLR 系统更加适用，因为这种技术不依赖于表面光洁度，并且可以在不到一分钟的时间内区分缺陷和复杂的内部细节。

Theta Technologies 目前正准备在市场上推出其基于 NLA 的解决方案。第一款产品预计于 2022 年 6 月推出；第二个完整的 NLA 扫描系统，预计将在 9-12 个月后发布。

非常适合 AM增材制造

虽然不是专门为增材制造而设计的，但 Theta 的 NLA 技术非常适合增材制造，并且与其他 NDT无损检测方法（如染料渗透检测和 X 射线）相比具有某些优势。这主要是因为 NLA 可以快速识别最复杂结构中最小的不一致。

根据Theta ，虽然传统的超声波或染料渗透技术理论上可以用于更简单的设计，但几何和表面光洁度问题使得这在实践中非常具有挑战性。对于更复杂的设计，目前主要有 X 射线 CT、目视检查或功能测试（例如压力测试）有实际应用，但即便如此，这些检测手段可能对可能至关重要的较小缺陷不敏感。有时候X 射线 CT 非常耗时，并需要对辐射安全风险进行管理。

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Theta 的技术还兼容多种增材制造材料，包括金属、陶瓷、复合材料，甚至一些高分子塑料材料。Theta的技术在通过一系列增材制造技术生产的金属部件上表现良好：目前已将其应用于激光粉末床熔化LPBF、线弧和基于粘结剂喷射BJ的样品。

根据3D科学谷的了解，目前NLA 技术特别适合测试由金属制成的薄壁零件。譬如用来检测薄壁金属增材制造组件包括增材制造热交换器。可以通过简单的一分钟测试来识别其中的缺陷。据悉，对于关键航空航天或汽车应用中的热交换器，目前X 射线 CT 或压力测试可以识别大缺陷，但可能会漏掉较小的缺陷。

在某些情况下，Theta 的 NLA 技术可以与其他 NDT 过程结合使用，例如 X 射线 CT 扫描。这将使用户能够快速且经济地评估哪些部件应继续进行下一轮测试，这会节约更多时间。

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