摘要：美国奥本大学的科研人员报道了增材制造金属零件无损表面形貌测量技术的对比分析研究进展。相关论文以“A comparative analysis of non-destructive surface topography measurement technique

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美国奥本大学的科研人员报道了增材制造金属零件无损表面形貌测量技术的对比分析研究进展。相关论文以“A comparative analysis of non-destructive surface topography measurement techniques for additively manufactured metal parts”为题发表在《Additive Manufacturing》上。

文章重点：

1、采用接触式轮廓仪、光学显微镜、干涉仪和X射线断层扫描对激光粉末床熔融（L-PBF）试样进行表征

2、同一位置提取的测量数据中，扫描参数差异显著

3、对所有测量技术的效能进行分析，包括针对原始增材制件测量的成本效益统计

增材制造试样的表面表征因其复杂几何形状及存在凹凸不平、底切、深而尖锐的谷状特征而面临挑战。尽管理解表面特征对实际应用的影响至关重要，但目前对测量技术固有变异性的共识仍不足。本研究通过四种技术（接触式轮廓仪、白光干涉仪、聚焦变焦显微镜和X射线计算机断层扫描）对原始Ti-6Al-4V试样的表面形貌进行检测。通过定性与定量分析测量表面，识别了不同技术间的差异。采用传统表面纹理参数区分各方法，并为扫描参数优化和测量技术选择提供指导。

关键词：激光粉末床熔融；钛合金；表面形貌；无损测量

图1：表面数据采集技术示意图。

图2：无损表面表征工具及其操作资源需求的示意图。

图3：（a）Ti-6Al-4V试样几何形状；（b）试样在构建平台中的示意图。

图4：基于面域和轮廓法的表面纹理参数评估流程示意图。

图5：通过XCT投影法处理体积数据的流程图。

图6：（a）基于排序法和邻域距离阈值的极值点识别标准；（b）同一区域通过XCT、SWLI和FV获取的二维高度图；（c）从表面形貌中提取的最深谷特征的体积重建。

图7：对齐形貌的定性分析：（a）四种设备测量的试样对齐形貌及该区域表面纹理参数；（b）单条提取轮廓线的跨技术对比，显示光学与触针法无法准确捕捉深谷和倾斜凹槽；（c）抛光后同一轮廓的光学显微镜截面视图。

通过四种表面测量技术评估了增材制造试样表面形貌的捕获能力，并利用表面纹理高度参数量化设备性能。研究评估了扫描尺寸、放大倍数、分辨率、扫描次数和体素大小（XCT）等参数对表面数据采集的影响，同时探讨了形貌对齐、数据后处理和形状校正等导致测量变异性的因素。进一步对比了操作成本（数据获取速率、设备费用、分辨率和重复性），为测量方法选择提供依据。

接触式轮廓仪（CSP）：可准确获取表面纹理高度参数（Pa/Sa），但难以捕捉极端特征。

光学方法：擅长评估大范围感兴趣区域的表面纹理高度参数（Sa）。白光干涉仪（SWLI）在捕获深锐谷方面优于聚焦变焦显微镜（FV）。

X射线断层扫描（XCT）：可提供亚表面信息，独特适用于含隐藏特征的形貌表征。

现存挑战

1、光学与XCT后处理参数选择：需避免在区分粗糙度、波纹度和形状时抑制关键特征。

2、光学与接触式仪器的局限性：无法检测分辨率范围外的隐藏谷或锐凹槽，而XCT在工业场景中实用性不足。

3、复合参数需求：单一参数不足以关联原始增材制造表面的确定性特征与力学性能（拉伸、疲劳和磨损），需开发复合参数。

论文链接：

长三角G60激光联盟陈长军转载

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来源：江苏激光联盟