激光超声技术在增材制造部件的多尺度评估中的应用：聚焦聚合物复合材料系统

《Polymer》：Laser Ultrasonics for Multi-Scale Evaluation of Additive Manufacturing Components: Focus on Polymer-Composite Systems

　　黄耀鑫 | 张宇 | 朱宏云 | 邱丹阳 | 江启生 | 周志坦 | 刘浩 | 赵长芳
宁波大学机械工程与力学学院，中国宁波315211

**摘要**
随着增材制造（AM）技术在航空航天和高端制造业中的快速应用，聚合物复合材料因其低密度、高比强度和出色的设计灵活性而成为AM系统中不可或缺的一类材料。然而，缺陷形成的复杂机制、缺陷检测的难度以及质量追溯性的不足仍然是阻碍其更广泛应用的关键瓶颈。激光超声（LU）技术以其非接触操作、宽带宽和多模式能力而备受推崇，被认为是实现AM组件原位、实时和定量质量评估的最有前途的技术之一。本文旨在系统回顾激光超声在增材制造无损检测领域的发展轨迹和关键进展，特别关注其在聚合物复合材料中的应用特点和新兴趋势。在结合缺陷、微观结构和性能的综合多尺度框架下，本文旨在阐明激光超声在现有无损检测方法中的独特作用。与以往主要关注过程监控或单信号分析的综述不同，本研究采用了一种新的视角，整合了基于机制的建模、先进的信号处理和智能重建技术。通过将激光超声的物理原理与数据驱动算法相结合，全面分析了激光超声在缺陷识别、定量微观结构表征和机械性能预测方面的多尺度潜力。研究表明，激光超声不仅克服了传统超声检测、X射线计算机断层扫描和涡流检测在复杂几何形状、高温和粗糙表面环境中的局限性，还通过分散分析、导波反演和深度学习等方法实现了从几何缺陷检测到材料行为感知的范式转变。针对现有文献中缺乏关于激光超声在增材制造中多层次应用的系统综述，本文明确了激光超声在智能和标准化质量控制系统开发中的核心作用。总体而言，本研究为理解激光超声在AM领域的物理机制和应用逻辑提供了理论基础，并为未来的实时监测、数字孪生和高度可靠组件的生产奠定了基础。

**引言**
增材制造（AM），通常称为三维（3D）打印，是一种新兴的变革性先进制造技术，有望重塑制造业的未来[1]。与传统减材或成形制造方法不同，AM技术可以根据计算机辅助设计（CAD）模型和3D扫描数据精确地沉积材料[2][3][4]。由于其低材料浪费、快速原型制作和短生产周期等优点，AM技术能够生产出具有高度复杂几何形状的近净形组件。如图1所示，AM工艺可以使用多种原材料，包括金属[5][6][7][8]、聚合物[5][9][10][11]、陶瓷[12][13][14][15]、复合材料[16][17][18][19][20][21]以及智能或响应性材料[22][23][24]。尽管其潜力巨大，但AM产品中缺陷检测和评估的复杂性严重限制了其广泛工业应用[25]。AM组件中经常出现层间和层内缺陷[26][27]、孔隙缺陷和熔合缺陷。先进的无损检测（NDT）技术为识别增材制造过程中不同阶段和尺度出现的各种缺陷提供了有效手段。增材制造工艺的多样性和众多工艺参数进一步增加了AM组件的无损评估复杂性，因此选择合适的NDT技术对于有效检测缺陷至关重要。
现有NDT方法各具优势和局限性，包括传统的接触式超声检测[28]、X射线计算机断层扫描（CT）[29][30][31]、涡流检测[32]和声发射监测[33]。每种技术在表征AM相关缺陷方面发挥着不同的作用。例如，接触式超声检测能够检测内部缺陷，但需要使用耦合介质并且检测器与组件表面紧密接触；因此，当AM零件表面粗糙或温度较高时，其适用性受限[34]。X射线CT可以提供内部缺陷的三维可视化，被广泛认为是AM产品质量检测的有效工具，但其大型系统、高昂成本以及主要在制造后离线实施的特点限制了其在原位或实时监测中的应用[35]。涡流检测适用于导电材料中表面或近表面缺陷的快速检测，具有便携设备和适应复杂几何形状的优点，但检测深度有限，且无法应用于非导电材料。此外，该技术对缺陷方向敏感，平行于表面的裂纹难以检测[36][37]。相比之下，声发射监测能够实时捕获增材制造过程中的动态缺陷信号（如裂纹起始），因此适用于过程监控。然而，该方法只能检测产生声发射事件的活跃缺陷，结果主要是定性的，难以提供精确的缺陷尺寸和形态信息[38]。总体而言，尽管这些传统无损检测技术各具优势，但在实时现场检测和适应AM复杂制造环境方面仍存在局限性。
相比之下，激光超声技术在增材制造组件的无损评估中显示出独特的潜力和优势[44]。该技术利用脉冲激光生成和检测超声波，完全是非接触式的，因此无需耦合介质和传感器与组件的物理接触，从而可以在弯曲或不规则表面甚至高温条件下进行测量[45]。此外，激光超声具有宽带宽和多模式能力，能够激发多种超声模式（包括表面瑞利波和体波），并获取高频成分信息。这种灵敏度的提升特别是在区分不同尺寸和类型缺陷方面尤为显著[46]。与通常需要在工艺完成后进行离线检测的X射线计算机断层扫描等方法相比，激光超声在制造现场直接进行逐层质量评估方面具有显著优势。

**节选内容**
**增材制造工艺和缺陷表征**
本节总结了主要的增材制造工艺及其典型缺陷，重点讨论了缺陷形成机制及其对不同材料系统性能的影响。特别关注聚合物和聚合物基复合材料中的层间空洞、弱界面各向异性等问题，这些是后续激光超声缺陷研究的基础。图2展示了整体研究框架。

**激光超声检测的机制**
本节概述了激光超声检测（LUT）的基本原理，包括激光产生的超声波的机制、在材料中的传播和非接触式检测技术。在第二节中比较了增材制造工艺和聚合物复合材料及金属中的缺陷特征的基础上，建立了LUT在远距离激发和高分辨率检测方面的理论框架，为后续的数值模拟奠定了基础。

**激光超声检测在增材制造中的应用与评估**
基于第三节建立的理论基础，本节探讨了激光超声与增材制造聚合物复合材料和金属中典型缺陷的有限元模拟。这些模型揭示了关键信号特征和缺陷响应，架起了理论与实验之间的桥梁，为后续实验验证和实践应用提供了指导。

**信号处理与激光超声检测数据分析**
在评估AM组件时，从激光超声检测获得的信号往往非常复杂，信噪比较低。因此，必须采用先进的信号处理和分析技术从中提取有用信息。本文将重点回顾激光超声信号的时间域、频域和时频分析方法，并深入探讨导波色散补偿、相速度和群速度等问题。

**结论**
本文系统回顾了激光超声在AM组件评估方面的研究进展，总结了其基本机制、信号特征、检测方法和数据处理技术。可以得出以下关键结论：
（1）激光超声具有非接触式、高分辨率和多模式等独特优势，与传统超声、X射线CT和涡流检测方法相比，该技术可以实现原位实时检测。

**作者贡献声明**
张宇：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、项目管理、资金获取、概念构思。
朱宏云：撰写——审稿与编辑、研究、概念构思。
黄耀鑫：撰写——初稿撰写、可视化、研究、概念构思。
周志坦：撰写——审稿与编辑、研究、概念构思。
刘浩：撰写——审稿与编辑、研究、概念构思。
邱丹阳：可视化、研究、概念构思。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的报告内容。

**致谢**
本研究得到了中国国家大学生创新与创业培训项目（202511646012）、国家自然科学基金（12402458）和浙江省新苗人才计划的资助。