金屬粉末床熔融工藝在線監(jiān)測技術綜述

趙德陳 林 峰

1.清華大學機械工程系，北京，100084

2.先進成形制造教育部重點實驗室，北京，100084

3.生物制造與快速成形技術北京市重點實驗室，北京，100084

0 引言

增材制造是一種由數據驅動、逐層累加材料成形實體零件的先進制造技術，與傳統(tǒng)的減材制造相比，該技術可成形輕量化、復雜結構和多材料梯度結構，工藝流程短、材料浪費少，且無需模具，支持個性化和定制化加工，已廣泛應用于航空航天、生物醫(yī)療、汽車等領域［1-3］。

根據送料方式的不同，金屬增材制造分為熔覆沉積和粉末床熔融（選區(qū)熔化）技術兩類［4］。前者采用同步送粉或送絲的方式，在高能束掃描的同時向熔池區(qū)域填充原材料；后者采用預先在成形區(qū)域鋪設粉末床的方式。金屬粉末床熔融技術包括激光選區(qū)熔化（selective laser melting，SLM）技術和電子束選區(qū)熔化（electron beam selective melting，EBSM）技術。SLM技術采用激光束作為熱源，具有較高的成形精度和表面光潔度；EBSM技術采用高能電子束作為熱源，具有更快的成形速度，且成形熱應力小，可成形高熔點材料和脆性材料。

激光或電子束掃描粉末床，使之熔化沉積的過程，是一個多種物理場相互耦合、高度動態(tài)的復雜過程，成形件易產生諸如翹曲變形［5-6］、球化［7］、開裂［8］等宏觀缺陷，以及氣孔［9-13］、夾渣［14］、未融合［12，15］等內部冶金缺陷。對成形件缺陷的及時探測和抑制，可極大地提升金屬粉末床熔融工藝的成形質量，消除工藝不穩(wěn)定性對該技術發(fā)展的限制。

在線監(jiān)測是指在工藝過程中對成形狀態(tài)和缺陷進行及時探測的技術方法。一方面它能夠為研究人員提供記錄工藝過程的途徑，輔助研究工藝機理和優(yōu)化工藝參數；另一方面它能夠對工藝過程進行實時監(jiān)控和數據分析，既可為缺陷的在線診斷、探測和實時修復奠定基礎，也可為工藝過程的文檔化提供關鍵數據。因此，在線監(jiān)測技術，尤其是針對金屬增材制造工藝的在線監(jiān)測技術，近年來已經成為一個研究熱點。

采用粉末床熔融技術成形的零件尺寸小，對成形缺陷更為敏感，近年來針對該技術的主要工藝過程，世界各地的研究團隊通過引入各種檢測技術，探索了多種在線監(jiān)測方法，雖然這些技術和方法目前大多還處于研發(fā)階段，但已經顯現出不可替代的技術潛力。本文以粉末床熔融工藝過程為線索，針對鋪粉過程監(jiān)測、鋪粉后粉末床檢測、熔融過程監(jiān)測以及熔融后熔融層檢測，綜述當前的研究現狀，分析現有技術的不足，探討其今后的發(fā)展趨勢。

1 鋪粉過程監(jiān)測

鋪粉過程是指通過鋪粉裝置將粉末鋪展在成形區(qū)域形成粉末床的過程，是粉末床熔融工藝過程的第一步，也是成形過程能夠穩(wěn)定運行的關鍵步驟之一。針對鋪粉過程容易出現的故障和鋪粉刮刀的異常損傷，REINARZ等［16］在SLM設備的鋪粉機構上安裝壓電式加速度計（圖1a），通過測量鋪粉機構在鋪粉運動過程中的速度變化信號來監(jiān)測鋪粉過程，因為鋪粉機構與上一層熔融層凸起產生碰撞時，會產生較大的振動甚至卡頓，加速度計的信號可以反映出鋪粉運動的平穩(wěn)性，同時也能反映熔融層的凹凸情況。KLESZCZYNSKI等［17］利用光學檢測結果驗證了該監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性，如圖1b和圖1c所示。當激光功率過高使熔融層產生嚴重的凸起時，加速度計對熔融層凸起十分敏感，能夠有效捕捉碰撞導致的速度變化信號。當監(jiān)測到加速度值超過設定閾值時，系統(tǒng)自動中斷打印進程，避免鋪粉刮刀的進一步損傷以及由此產生的大量缺陷。

圖1 基于加速度計的SLM工藝鋪粉過程監(jiān)測［17］Fig.1 Acceleration sensor based powder recoating monitoring ［17］

2 粉末床檢測

鋪粉后形成的粉末床是電子束或激光束掃描熔化粉末的基礎，如果粉末床不平整，將造成掃描過程熔池的不穩(wěn)定，產生異常凸起或孔隙等缺陷，影響后續(xù)成形。造成粉末床不平整的原因有很多，如：①粉刷的磨損和損壞，造成粉末床產生沿著鋪粉方向分布的溝壑或隆起；②熔融層凸起，刮刀在凸起處受力跳動，產生垂直于鋪粉方向的溝壑或隆起；③粉末量不足，粉床末端沒有填充粉末。因此，粉末床的形貌不僅可以反映鋪粉裝置的工作狀態(tài)，還可以反映上一層熔融沉積的質量。粉末床形貌監(jiān)測目前主要有兩種方式：對粉床光學圖像進行灰度紋理分析；利用低相干干涉測量高度分布。

圖2為SLM工藝中對粉末床進行可見光檢測的系統(tǒng)示意圖，包含一個光學相機和若干個閃光光源。該系統(tǒng)采用離軸式的布置方案，相機從側向對準粉末床，同時閃光光源呈不同角度傾斜布置。閃光光源的作用是提供適當的背景光線，以便能夠拍攝出清晰、高對比度的粉末床圖像，簡化后續(xù)的缺陷識別過程。CRAEGHS等［18］從粉末床灰度圖像上提取多條垂直于鋪粉方向的灰度分布，并取平均分布與合理灰度范圍對比，有效鑒別出由于粉刷磨損和局部損壞導致的粉末床不均勻（圖 3）。KLESZCZYNSKI等［17，19］依據熔融層上凸起鏡面反射產生亮區(qū)的特點，對灰度圖像進行閾值處理，實現了對凸起位置和面積的有效提?。▓D 4）；JACOBSMüHLEN等［20］通過該方法研究了懸空結構角度變化和支撐結構參數對熔融層凸起的影響。ABDELRAHMAN等［21］從粉末床圖像上提取與零件截面相對應的區(qū)域并疊加形成三維粉末床模型，該模型能夠很好地反映出粉末床異常對應于零件的三維空間位置。

圖2 SLM工藝光學檢測系統(tǒng)示意圖［18］Fig.2 Schematic of optical inspection system in SLM［18］

圖3 基于灰度分布的粉末床異常識別［18］Fig.3 Anomaly recognition of powder bed based on gray value distribution ［18］

NEEF等［22］提出利用低相干干涉成像技術來檢測SLM工藝中粉末床的平整性。如圖5所示，低相干干涉成像的原理是利用測量激光束掃描粉末床，通過光譜儀測量反射光和參考光之間的光程差，再補償由于角度偏轉造成的偏差，獲得不同掃描點的高度分布。由圖6可知，利用低相干干涉技術能夠有效探測粉末床的高低起伏，可識別粉末床上50 μm深度的溝槽［22］。

圖4 基于粉末床形貌的熔融層凸起檢測［19］Fig.4 Elevated area detection based on powder bed morphology［19］

圖5 基于低相干干涉技術的SLM粉末床檢測系統(tǒng)示意圖［23］Fig.5 Coaxial powder bed inspection system with inline coherent imaging technique in SLM［23］

上述光學檢測均針對SLM工藝，在EBSM工藝中應用很少。基于光學成像的監(jiān)測方法對傳感器和光源的相對位置要求較高，需對成形設備進行相應改造，增大了系統(tǒng)集成的難度。由于SLM工藝成形室內填充了惰性氣體，有效抑制了金屬蒸鍍并改善了散熱條件，傳感器可直接置于成形室內，因此系統(tǒng)集成相對簡單，而EBSM工藝在真空環(huán)境下進行，具有更嚴重的金屬蒸鍍現象、更高的環(huán)境溫度和高強度的輻射，限制了上述檢測方法的應用。

圖6 基于低相干干涉成像的SLM工藝粉末床檢測［22］Fig.6 Powder bed inspection using inline coherence interference imaging in SLM ［22］

3 熔融過程監(jiān)測

在熔融過程中，高能電子束或激光束掃描粉末床，使粉末熔化產生熔池，凝固后沉積形成實體截面，因此熔融沉積過程直接決定了最終熔融層的質量。目前對熔融過程的監(jiān)測主要是針對熔池和整個成形區(qū)域的溫度場。

3.1 熔池監(jiān)測

粉末床熔融工藝中的熔池是由激光束或電子束掃描粉末床，熔化粉末而形成，具有尺寸小、移動速度快的特點。熔池的形態(tài)、尺寸、溫度等狀態(tài)在很大程度上決定著成形件的質量。熔池監(jiān)測是指在激光或電子束掃描過程中對熔池輻射強度和形狀特征進行實時測量，并對測量數據進行實時分析，識別與熔池行為相關的球化、翹曲等成形缺陷。

SLM熔池監(jiān)測系統(tǒng)通常采用同軸布局，如圖7所示，傳感通道與成形激光束通道重疊，這樣無需增加復雜的熔池跟蹤系統(tǒng)就可實時獲取熔池信號。高功率成形激光束在45°半反射鏡表面反射后進入SLM掃描系統(tǒng)，而熔池輻射信號沿著相反方向傳播，透過半反射鏡后，通過濾波片篩選出特定波段信號進入傳感器，或通過分光鏡分成兩束，供傳感器采集。KRUTH 課題組［18，24-26］采用上述同軸傳感方式，篩選780～950 nm波段的輻射光波并分束，一束光用于光電二極管采集熔池光強信號；另一束光則經由高速CMOS相機成像，用于提取熔池的面積、長度和寬度等幾何信息。實驗研究表明光電二極管采集的熔池光強與熔池面積成正比，而二者都能夠有效地偵測出懸空結構成形時產生的球化、U形掃描時轉角處的凸包以及鋪粉故障等工藝問題。該課題組以激光功率為控制對象，分別將光電二極管的輸出電壓和熔池像素面積作為反饋變量，建立了SLM工藝閉環(huán)控制系統(tǒng)，研究結果表明上述兩種閉環(huán)控制系統(tǒng)均能有效提高成形懸空面結構時的精度和實現工藝參數的自適應。

圖7 SLM工藝熔池監(jiān)測系統(tǒng)布置示意圖Fig.7 Schematic of the molten pool monitoring system in SLM

PAVLOV等［27］同樣采取同軸布置方案，采用雙色高溫計實時測量激光掃描過程中熔池的溫度信號，發(fā)現雙色高溫計的測量值對填充間距、鋪粉厚度、填充策略等工藝參數十分敏感，能夠檢測出由于粉末床厚度不均勻導致的熔池異常。KANKO等［23］則將同軸光路應用于低相干干涉測量，實時測量SLM成形過程熔池的高度變化。如圖8所示，當激光束掃過懸空區(qū)域時，熔池由于散熱條件變差而產生過熱現象，從而劇烈波動，低相干干涉技術可以快速捕捉熔池的高度變化，識別出由于過熱導致的球化缺陷。

為了便于缺陷識別和定位，CLIJSTERS等［25］將熔池像素面積根據掃描位置順序排列成二維圖像，將時序信號轉化為空間分布的圖像（圖9）。通過試驗方式分別獲取填充掃描、輪廓掃描時穩(wěn)態(tài)熔池的幾何參數，并將其作為參考數據，選取包含95%參考數據點的區(qū)間作為合理參數范圍，實現了對熔池異常的識別。此外，通過逐層獲取位置相關的熔池面積分布，實現了對成形件內部孔隙缺陷的三維空間定位，缺陷識別和定位的結果與CT結果對應良好。

圖8 基于低相干干涉技術的SLM單道熔池監(jiān)測［23］Fig.8 Molten pool monitoring when processing a single track with low coherence interference in SLM［23］

圖9 熔池信號可視化研究［25］Fig.9 Visualization of molten pool signal［25］

KRAUSS等［28］采用離軸的傳感器布置方式，將紅外熱像儀從SLM設備的前觀察窗口側向對準成形區(qū)域，在成形激光束掃描過程中拍攝熱像圖片，通過對紅外熱像圖片進行處理，實現了對熔池面積、長寬比以及圓度等幾何參數的提取，并研究了掃描速度、激光功率、填充間距、填充線長度以及鋪粉厚度等工藝參數對熔池幾何參數的影響。

上述對熔池的監(jiān)測基本采用同軸系統(tǒng)，且用于SLM工藝。因同軸監(jiān)測系統(tǒng)能夠對熔池進行很好的跟蹤，且輸出信號簡單，目前已實現實時工藝監(jiān)測和反饋控制。而在EBSM工藝中由于電磁偏轉系統(tǒng)等結構限制，只能采用離軸的布置方式，對熔池的快速跟蹤成為難題，加上嚴重的蒸鍍影響，對熔池的實時監(jiān)測實現起來具有一定的難度。

3.2 溫度場監(jiān)測

粉末床熔融是一種熱加工過程，記錄和分析粉末床的溫度場及其變化歷程，對理解工藝內在機理和驗證仿真模型具有重要價值。PRICE等［29］利用近紅外熱成像設備研究了EBSM工藝預熱掃描、輪廓掃描、填充掃描等階段成形區(qū)域溫度分布的演變。CHENG 等［30］和 PRICE 等［31］研究了掃描速度、電子束束流以及束斑直徑等工藝參數對熔池縱向（沿著掃描方向）溫度分布和熔池尺寸的影響，并利用測量的溫度分布和熔池尺寸驗證了仿真模型。此外，PRICE等［32-33］探究了成形高度對熔池縱向溫度分布的影響以及懸空面上與熔池中心線不同距離處的縱向溫度分布，發(fā)現在填充掃描過程中熔池縱向溫度分布具有很好的重復性，且對散熱條件十分敏感，驗證了基于溫度空間分布的缺陷識別的可行性。

內部空隙等缺陷會減弱局部區(qū)域的散熱能力，改變其周圍溫度場的分布和演變特性。據此，KRAUSS等［28］提出了利用溫度場檢測實現內部空隙缺陷偵測的方法，在激光束掃過預設缺陷區(qū)域時，提取沿著熔池縱向的溫度分布曲線。與無缺陷時的溫度分布曲線對比發(fā)現，熔池后端的溫度分布曲線在缺陷位置處存在明顯的差異，而且與缺陷尺寸相關。因此利用粉末床溫度場的動態(tài)數據不僅可以識別孔隙缺陷，還可以獲得缺陷大小等信息。

此外，KRAUSS 等［28，34-35］嘗試了基于溫度場時域演變的缺陷甄別，且從動態(tài)溫度場演變數據中提取了相關的關鍵指標，包括高溫保持時間、等效熱擴散系數、最高溫度和飛濺量等，其中等效熱擴散系數是按一維向下熱擴散簡化模型定義的降溫速率。每層溫度場演變提取的指標都可形成一幀指標分布圖。待成形結束后，將各層的分布圖堆疊形成三維指標分布模型。圖10顯示了從等效熱擴散系統(tǒng)和高溫保持時間的三維指標分布模型中提取的穿過缺陷的垂直剖面，可以直觀地發(fā)現這兩個指標在缺陷位置上方均發(fā)生了明顯改變，說明缺陷上方的熱擴散能力會下降，而降溫速度會減慢，這一現象能夠用于甄別缺陷。

圖10 缺陷對等效熱擴散系數和高溫保持時間分布的影響［34］Fig.10 Effect of ariticial flaws on thermal diffusivity and time above T*［34］

在組織預測方面，PRICE等［31］根據溫度-時間演變曲線，提取了在不同掃描速度下成形截面的平均冷卻速率，發(fā)現快速掃描產生較高的冷卻速率和較小的β柱狀晶。RAPLEE等［36］針對EBSM工藝成形過程中不同的掃描策略（點掃描和線掃描，如圖11所示），利用紅外熱成像獲取的動態(tài)溫度場分布圖像，提取不同位置處的溫度梯度和固液界面移動速度。通過與實驗對比發(fā)現，線掃描策略會形成較高的溫度梯度和較低的固液界面移動速度，傾向于形成柱狀晶；而點掃描策略會形成較低的溫度梯度和較高的固液界面速度，有利于等軸晶成形（圖12）。上述研究表明利用熱成像手段對成形件微觀組織形態(tài)進行預測，有助于在增材制造成形過程中實現對制件組織的靈活制備和有效控制。

圖11 EBSM工藝線掃描（左）和點掃描（右）策略示意圖［36］Fig.11 A graphical representation of the line melt（left）and point melt（right）scan strategies［36］

圖12 EBSM掃描策略對晶粒形態(tài)的影響［36］Fig.12 Influence of scan strategies on grain morphology in EBSM ［36］

對粉末床熔融工藝的動態(tài)溫度場進行實時采集和分析，已在內部缺陷探測和微觀組織預測方面取得了較大進展，但仍存在許多限制。由于動態(tài)溫度場信息主要來自于紅外或近紅外熱成像儀，而這些熱成像儀設備的時間分辨率和空間分辨率尚顯不足，因此導致當前缺陷檢測的精度和靈敏度不高。另外，粉末床熔融過程存在蒸鍍現象，尤其是EBSM工藝，金屬蒸汽會導致觀察窗口透射率發(fā)生明顯變化，不利于連續(xù)的動態(tài)溫度場監(jiān)測。雖然學者們研究了防蒸鍍系統(tǒng)和透射率補償方法等，并取得了一定效果，但仍然無法完全消除蒸鍍的影響［37-38］。此外，為了將熱像儀輸出的輻射強度值轉化為絕對溫度，需要對材料紅外發(fā)射率、窗口透射率以及環(huán)境溫度等參數進行準確測定，這也給溫度場實時測量帶來了難度和挑戰(zhàn)［29，38-41］。

此外，還有研究人員［42-44］利用超聲探測技術來監(jiān)測成形過程中工件內部缺陷和孔隙率。

4 熔融層檢測

粉末床經電子束或激光束熔融沉積后形成熔融層，熔融層的狀態(tài)不僅反映了激光/電子束熔融沉積的質量、工藝參數的匹配優(yōu)劣和設備運行狀態(tài)，還會影響后續(xù)鋪粉、熔融等成形過程，因此針對熔融層的檢測，是在線監(jiān)測技術中十分重要的一環(huán)，可以對截面輪廓、幾何參數和表面缺陷進行檢測，同時還可記錄每層的成形結果，為最終的質量追溯提供基礎數據。目前熔融層檢測的主要對象是熔融層的溫度場和形貌。

4.1 溫度場檢測

熔融層溫度場檢測與熔融沉積過程溫度場檢測類似，均采用近紅外/紅外熱像儀，所不同的是熔融層溫度場的變化速度較慢，通常只對熔融層溫度場進行一次拍攝，利用單幀圖像進行零件輪廓的提取和缺陷識別。

SCHWERDTFEGER 等［45］在 EBSM 工藝中選用不同的聚焦偏置參數作為對照，將熔融層熱像圖與金相圖對比，發(fā)現熱像圖能有效揭示成形層內部未熔合、夾雜缺陷。DINWIDDIE等［37］利用紅外熱成像系統(tǒng)研究EBSM工藝聚焦參數對懸空面上后續(xù)熔融層孔隙率的影響及孔隙率的演變過程。RODRIGUEZ等［39］利用溫度分布直方圖對熔融層溫度分布的不均勻性進行量化，發(fā)現過熱區(qū)域的溫度分布范圍更廣，認為基于直方圖分析是一種有效識別局部過熱缺陷的方法。RIDWAN等［46］通過圖像處理實現了對工件截面的提取，并統(tǒng)計了熔融層孔隙率來表征工藝質量。MIRELES等［47］借助紅外熱成像監(jiān)測來驗證在線缺陷修復的可行性，對比熔融層重熔前后的熱像圖發(fā)現，重熔有效消減了孔隙缺陷，作者也據此提出局部缺陷在線修復的閉環(huán)控制路線。

上述研究主要論證了利用近紅外/紅外熱成像技術進行熔融層缺陷檢測的可行性，基于該技術的實時熔融層檢測還需要進一步研究。

4.2 形貌檢測

對熔融層形貌的監(jiān)測除了可以利用前述粉末床的檢測技術，如可見光成像和低相干干涉技術等，也可以利用電子光學成像技術。

4.2.1 光學檢測

前述粉末床的檢測技術，如可見光成像和低相干干涉技術等，也可應用于熔融層形貌的檢測。FOSTER等［6］從熔融層光學圖像中提取輪廓，并將其堆疊形成三維實體模型，該三維模型除了包含成形件的尺寸信息外，還直觀揭示了粉末床不平整問題（圖13）。ABDELRAHMAN等［21］在每一層掃描后拍攝五張不同照明條件下的熔融層圖像，結合零件CAD模型提取熔融層的輪廓，對前后三層熔融層輪廓進行平均并分割圖像獲得熔融層截面，逐層堆疊截面獲得三維實體模型，并將至少相鄰兩個熔融層上相同位置處出現的異常作為真實缺陷，實現了對實體零件內部未熔合、孔隙等缺陷的識別和定位（圖14）。DEPOND等［12］利用低相干干涉檢測技術研究填充策略對熔融層表面粗糙度的影響，監(jiān)測在成形懸空結構時熔融層粗糙度的變化。如圖15所示，對比高度分布圖發(fā)現，在層間無旋轉的往返掃描策略下熔融層具有更大的粗糙度，且高度分布具有明顯方向性，隨著熔融層起伏的逐層累積，最終造成工件的宏觀變形。

圖13 基于光學成像的熔融層檢測［6］Fig.13 As-deposited layer inspection based on visual imaging［6］

圖14 SLM制件的三維重構模型［21］Fig.14 3D reconstruction of as-SLMed part［21］

圖15 利用低相干干涉技術研究掃描策略對熔融層形貌的影響［12］Fig.15 Investigation on the relation between scanning strategies and morphology of deposited layer with low coherence interference technique［12］

此外，ERLER等［48］提出了利用3D測繪技術測量熔融層表面高度分布的監(jiān)測方式，通過測量激光線束逐行掃描熔融層，利用激光位移傳感器接收反射信號并計算出不同位置的高度，統(tǒng)計熔融層高度分布的標準差來評判熔融層質量，研究了鋪粉參數和激光功率對熔融層平均層厚和均勻性的影響。

利用可見光成像技術監(jiān)測熔融層的難點在于對灰度圖像的分析處理，目前已實現輪廓提取和缺陷識別，但是該技術大多采用離線處理方式，實時性不強；而低相干干涉成像和3D形貌測繪輸出為熔融層的高度分布，降低了數據分析和處理的難度，它的問題是需要進行逐點或逐行掃描，增加了SLM工藝的時間成本，而且由于檢測系統(tǒng)復雜，目前直接測量高度分布的檢測研究不多。

4.2.2 電子光學檢測

電子光學檢測是一種獨特的用于監(jiān)測EBSM工藝熔融層形貌的技術，它的原理是在逐層掃描結束后，利用小束流電子束逐點掃描熔融層，采集作用過程中產生的攜帶形貌信息的二次電子和背散射電子等電信號，將其按照掃描點序排列成二維灰度圖像，該圖像即可反映熔融層的形貌信息。圖16為EBSM設備中電子探測器的布置示意圖，現有研究中電子探測器通常置于電子槍下方，成形平臺上方，并與電子槍同軸。由于高蒸鍍、強輻射以及高溫等惡劣環(huán)境影響，因此通常選用金屬平板作為探測器。

圖16 EBSM設備中電子探測器布置示意圖Fig.16 Schematic of electron detector in EBSM machine

利用電子光學成像來監(jiān)測熔融層表面形貌，可以大大降低提取熔融層輪廓和識別缺陷的難度。由于粉末區(qū)域與實體區(qū)域的形貌差異，依據電子光學圖像可以容易地將兩者分離以提取熔融層截面，測量輪廓尺寸和進行模型三維重構；此外，亞微米孔隙區(qū)域發(fā)射的背散射或二次電子數量少，在電子光學圖像上呈現為暗點，因此對孔隙的識別和定位也較為簡單。JANSON等［49］研究發(fā)現利用電子光學監(jiān)測系統(tǒng)能夠有效識別約50μm的孔隙缺陷（圖 17）。WONG等［50］利用電子光學圖像分離粉床與熔融層，實現了對熔融層輪廓和尺寸數據的提取和幾何誤差分析。K?rner課題組提取熔融層截面并堆疊，實現了對成形件的三維模型重構，此外通過圖像分析測繪出了成形件內部孔隙分布，結果與CT數據和顯微照片十分吻合［51］。

圖17 EBSM成形件的電子光學檢測［49］Fig.17 Electron optical inspection of as-EBSMed part［49］

由于利用電子光學圖像識別熔融層表面缺陷簡單可靠，因此適宜作為及時反饋，構建快速工藝優(yōu)化系統(tǒng)。K?rner課題組將EBSM工藝電子束掃描速度作為控制變量，建立了基于被散射電子信號的快速工藝優(yōu)化系統(tǒng)，實現了對電子束掃描速度的快速優(yōu)化［51］。如圖18所示，使用恒定的掃描速度縱向掃描工件截面，隨著填充線長度的增加，熔融層產生大量孔隙，K?rner課題組制定如下的反饋控制策略：利用電子光學圖像識別孔隙缺陷，在第一個缺陷位置處減小掃描速度，并每隔20層進行一次上述過程，結果表明在第四次參數調整后，熔融層孔隙缺陷基本消失。

圖18 基于電子光學檢測的自動工藝參數調整［51］Fig.18 Automatic process adjustment based on electron optical inspection［51］

電子光學監(jiān)測有效克服了EBSM工藝中高溫度、高蒸鍍和強輻射等困難，極大簡化了在線監(jiān)測和反饋控制的難度。雖然電子光學監(jiān)測已經初步實現缺陷識別和反饋控制，但對于電子光學圖像的分析解讀仍需要進行大量的研究工作。此外，現有研究中電子光學圖像對宏觀形貌信息，如起伏、粗糙度等不敏感，無法從中提取有效的宏觀形貌信息，在宏觀形貌檢測上需要開展進一步的研究。

5 結語

激光選區(qū)熔化技術和電子束選區(qū)熔化技術在監(jiān)測技術發(fā)展方面存在明顯差異。前者在熔池動態(tài)監(jiān)測、粉末床和熔融層的可見光檢測上均發(fā)展迅速，且熔池動態(tài)監(jiān)測已應用于工藝反饋控制；在電子束選區(qū)熔化工藝監(jiān)測方面，光學監(jiān)測技術均受到嚴格限制，但是電子光學成像技術開始成為一種有效手段，對電子束選區(qū)熔化工藝成形質量進行可靠的監(jiān)測。

此外，筆者認為針對粉末床熔融工藝的在線監(jiān)測具有如下發(fā)展趨勢：

（1）逐漸從監(jiān)測表面狀態(tài)，向監(jiān)測內部缺陷和晶粒組織形態(tài)轉變。早期粉末床熔融在線監(jiān)測技術是通過對熔池輻射強度進行測量，來實現對零件宏觀形貌的監(jiān)測。隨著在線監(jiān)測技術研究的不斷深入，針對制件內部缺陷的在線監(jiān)測已成為研究熱點，并開始涉及到對晶粒組織的監(jiān)測，這將為最終實現實時缺陷修復和組織控制奠定基礎。

（2）自動化和智能化。上述在線監(jiān)測研究大部分采用離線的數據處理方式，且對監(jiān)測結果的分析依賴于經驗數據。隨著研究的深入，通過引入計算機視覺、人工智能、數據挖掘等技術手段，提高對缺陷、孔隙等特征的識別準確性和效率，促進在線監(jiān)測技術的進一步發(fā)展和應用。

（3）多信息融合監(jiān)測。利用多種監(jiān)測方法監(jiān)測工藝的不同階段，根據不同監(jiān)測數據綜合判斷成形過程的穩(wěn)定性和缺陷信息，彌補單一測量方法的不足，避免單一信號指標的不確定性，實現對工藝過程的多傳感信號、多物理信息的綜合處理和判斷，提高監(jiān)測系統(tǒng)的準確性和可靠性。

（4）主動式在線監(jiān)測。常規(guī)的粉末床熔融工藝在線監(jiān)測技術，尤其是基于光學成像的監(jiān)測技術，受到照明條件、金屬蒸鍍、高溫等諸多限制。主動式的監(jiān)測技術，如應用于SLM工藝的低相干干涉技術、應用于EBSM工藝的電子光學成像技術，通過主動發(fā)射測量光束或電子束，降低對工作環(huán)境的要求，提高了測量系統(tǒng)的靈敏性、抗干擾能力和對工作環(huán)境的適應性，是未來粉末床熔融在線監(jiān)測技術中較有前景的方向。