ISOASTM TR 529582026 金属增材制造-粉末床熔融(PBF)-原位同轴光电二极管监测PBF-LB中缺乏熔融探伤标准立项发展报告

金属增材制造-粉末床熔融（PBF）-原位同轴光电二极管监测PBF-LB中缺乏熔融探伤标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:AdditiveManufacturingofMetals—PowderBedFusion(PBF)—In-situCoaxialPhotodiodeMonitoringforLackofFusionFlawDetectioninPBF-LB摘要金属增材制造（MetalAdditiveManufacturing,MAM）作为制造业转型升级的核心使能技术，近年来在全球范围内获得广泛关注与快速发展。其中，激光粉末床熔融（LaserPowderBedFusion,PBF-LB）技术因其成形精度高、力学性能优良，已成为航空航天、医疗器械、汽车制造等高端领域的关键工艺路线。然而，PBF-LB工艺固有的高能束快速熔化-凝固过程极易导致缺乏熔融（LackofFusion,LoF）等内部缺陷的产生，严重影响制件的致密度与疲劳性能，成为制约该技术走向大规模工业化应用的主要瓶颈。在此背景下，ISO/ASTMTR52958:2026《金属增材制造-粉末床熔融（PBF）-原位同轴光电二极管监测PBF-LB中缺乏熔融探伤》技术报告应运而生。本报告详细阐述了该标准的立项背景、技术依据、主要内容体系及其行业应用前景，分析了原位同轴光电二极管监测技术的基本原理、系统集成方案和信号处理方法。报告指出，该标准的发布填补了国际范围内PBF-LB原位监测技术标准化领域的空白，为过程实时质量控制、缺陷可追溯性和闭环反馈制造提供了统一的技术框架和评价准则，对推动金属增材制造技术的可靠化、智能化和规模化应用具有里程碑式的意义。关键词：金属增材制造；粉末床熔融；原位监测；同轴光电二极管；缺乏熔融缺陷；过程质量控制；标准化Keywords:MetalAdditiveManufacturing;PowderBedFusion;In-situMonitoring;CoaxialPhotodiode;LackofFusionDefect;ProcessQualityControl;Standardization1引言1.1研究背景增材制造（AdditiveManufacturing,AM）技术，亦称三维打印技术，是一种基于离散-堆积原理，采用材料逐层累加方式直接制造实体零件的先进制造工艺。相较于传统的减材制造和等材制造，增材制造在复杂结构一体化成形、材料利用率提升、个性化定制和快速响应制造等方面展现出显著优势，被普遍视为第三次工业革命的重要标志性技术之一[1]。在众多增材制造技术路线中，激光粉末床熔融技术——依据ISO/ASTM52900标准归属于PBF-LB类别——已成为应用最为广泛、技术成熟度最高的金属增材制造工艺。PBF-LB技术利用高能激光束选择性地扫描预先铺覆的金属粉末层，使其完全熔化后快速凝固，逐层堆积形成三维实体零件。该技术能够实现钛合金、镍基高温合金、铝合金、不锈钢等高性能金属材料的精密成形，构件相对密度可达99.5%以上，力学性能在某些指标上甚至超越锻造件水平[2]。然而，PBF-LB工艺的复杂物理化学过程——包括激光-粉末相互作用、熔池动态行为、快速凝固组织演化及热应力累积等——使得成形过程存在诸多不确定性。其中，缺乏熔融缺陷是最为常见且最具危害性的内部缺陷类型之一。LoF缺陷通常表现为未完全熔化的粉末颗粒与已凝固层之间的界面微空隙，呈不规则形状，尺寸从数十微米到数百微米不等。这类缺陷的存在显著降低了制件的致密度、拉伸性能、疲劳寿命和耐腐蚀性能，严重威胁关键承载构件的服役安全性[3]。1.2标准化需求分析长期以来，PBF-LB成形构件的质量保障主要依赖离线检测手段，如工业CT（X-rayComputedTomography）、超声波检测、金相分析等。这些方法虽然能够有效识别和评价内部缺陷，但存在检测周期长、成本高昂、无法实时反馈等固有局限，尤其对于大型复杂构件，全面离线检测往往不够现实。更为关键的是，离线检测仅能实现"事后把关"，无法在缺陷萌生初期进行干预和纠正，难以满足关键领域对零缺陷制造的目标需求。在此行业痛点下，原位过程监测技术（In-situProcessMonitoring）应运而生。其核心理念是在成形过程中实时采集与熔池状态相关的物理信号（如光辐射、热辐射、声发射等），并通过信号处理与特征提取，实现缺陷的在线识别与预警。其中，同轴光电二极管监测技术通过对熔池区域辐射光的实时采集与分析，能够以较高时间分辨率捕捉与缺乏熔融相关的过程异常特征，且系统结构相对简洁、成本可控、易于集成到商业PBF-LB设备中，因而成为当前工业界广泛关注并积极探索的原位监测技术方案[4]。尽管同轴光电二极管监测技术在学术研究层面已取得诸多积极成果，工程应用也在逐步深入，但国内外尚缺乏统一的技术标准和评价准则。不同设备制造商、研究机构和企业用户在实际应用中各自为政，系统的光学设计、信号采集配置、特征提取方法和缺陷判据存在显著差异，导致监测结果的可比性和可靠性不足，严重制约了该技术的规范化推广和规模化部署。因此，制定统一的技术报告/标准已成为行业的迫切需求。2标准立项概况2.1标准基本信息ISO/ASTMTR52958:2026《金属增材制造-粉末床熔融（PBF）-原位同轴光电二极管监测PBF-LB中缺乏熔融探伤》由国际标准化组织（ISO）与美国材料与试验协会（ASTMInternational）联合技术委员会ISO/TC261（增材制造技术委员会）与ASTMF42（增材制造技术委员会）共同制定并发布，发布日期为2026年5月22日。该标准属于技术报告（TechnicalReport,TR）类型，编号为52958，现行有效。标准文件以电子版加密PDF格式发行，采用了FileOpen数字版权加密保护技术，用户需在联网状态下安装指定插件方可打开，文件受限于累计3台电脑共打印5次。标准文本语言为英文，定价为1092元人民币。本标准的发布标志着PBF-LB原位监测领域首项国际层面技术文件的正式出台，为后续相关标准的制定奠定了基础，具有重要的里程碑意义。2.2标准制定背景本标准是在ISO/TC261与ASTMF42的持续合作框架下推进的成果。ISO/TC261成立于2011年，负责增材制造领域的国际标准制定工作；ASTMF42于2009年成立，是全球最早致力于增材制造标准化的技术委员会之一。两大技术委员会于2011年签署合作协议，确立了联合制定增材制造国际标准的合作框架，共同推动全球增材制造技术标准化进程。在PBF-LB原位监测技术标准化需求的推动下，ISO/TC261和ASTMF42联合工作组经过多轮提案论证、国际专家评审和委员会投票等程序，最终形成了ISO/ASTMTR52958:2026技术报告。该工作组的专家成员来自德国弗劳恩霍夫激光技术研究所（FraunhoferILT）、美国国家标准与技术研究院（NIST）、英国伯明翰大学、日本产业技术综合研究所（AIST）等国际知名研究机构以及EOS、SLMSolutions、Renishaw等主流PBF-LB设备制造商的代表。值得关注的是，ISO/ASTMTR52958是ISO/ASTM52900增材制造标准体系中过程监测方向的重要补充，与ISO/ASTM52902（测试方法）、ISO/ASTM52904（热处理）、ISO17296系列（通则）等标准共同构成了较为完整的增材制造标准矩阵。3标准核心内容3.1范围界定ISO/ASTMTR52958:2026明确了其适用范围为基于激光粉末床熔融工艺（即PBF-LB）的金属增材制造设备中，采用同轴光电二极管（CoaxialPhotodiode）原位监测技术来检测成形过程中缺乏熔融（LoF）缺陷的系统配置方法和技术评估指南。该标准涵盖以下方面：-PBF-LB设备中同轴监测光路的光学设计原则与集成方案；-光电二极管探测器的选型依据、光谱响应特性、增益设置和采样频率等技术要求；-用于LoF缺陷表征的信号特征提取方法与数据处理流程；-监测系统的时间响应特性评估及空间分辨率指标评价；-系统性能验证的实验方案和数据评价方法。3.2同轴监测原理与技术架构该标准系统地阐述了同轴光电二极管监测的基本工作原理。在PBF-LB设备中，同轴监测光路通常与激光扫描光路共享同一光学路径，通过分光镜等光学元件将熔池区域辐射出的光信号部分引导至光电二极管探测器。熔池在激光作用下的光辐射强度与其温度状态密切相关，而缺乏熔融缺陷的形成往往伴随着局部温度异常或熔池不稳定性，因此光电二极管所捕获的辐射信号变化可作为缺陷间接指示的依据。标准将监测系统架构划分为以下关键子系统：光学采集模块：包括同轴光学路径设计、波长选择元件（如带通滤波片）、光阑与衰减器配置等。该模块决定了系统能够采集到的有效光信号质量及空间选择性。光电转换模块：采用具备足够带宽和灵敏度的光电二极管探测器，将光信号转换为电信号。标准推荐在不同工艺条件下采用对应的探测器类型与增益配置。信号采集与调理模块：包括前置放大器、滤波器和模数转换单元，负责对光电二极管输出的微弱信号进行放大和数字化处理。数据处理与分析模块：通过计算机算法对采集到的信号进行特征提取、模式识别和缺陷判据判定。3.3LoF缺陷信号特征与判定准则通过对大量PBF-LB成形过程中采集的同轴光电二极管信号进行研究分析，标准系统总结了与LoF缺陷相关的典型信号特征：第一类特征为熔池辐射瞬态异常信号。在LoF缺陷形成的过程中，激光与粉末床的相互作用状态发生异常变化，表现为光电二极管信号的瞬态下降或波动加剧，对应着熔池尺寸缩小或温度骤降。此类信号特征可作为LoF缺陷的直接预警指标。第二类特征为逐层信号趋势偏移。当某一层内存在较多LoF缺陷形成风险时，该层的平均辐射强度或时间积分信号将呈现与相邻正常层显著不同的趋势偏移。通过分析层间信号的统计变化，可以识别出异常层的空间位置。第三类特征为空间分布不均匀性。同轴光电二极管监测可实现扫描路径上的逐点信号记录，通过重构得到扫描平面内的信号分布图。LoF缺陷通常在空间上呈现聚集或弥散分布特征，其在信号图中的表现形式有别于正常区域的均匀分布模式。标准同时指出，同轴光电二极管信号仅提供与熔池状态相关的间接指标，信号与LoF缺陷之间的映射关系可能受到材料类型、工艺参数、扫描策略以及设备状态等多重因素的影响。因此，标准强调需要结合具体的材料-工艺组合进行校准验证，不宜将信号特征作为唯一的缺陷判定依据。3.4系统性能验证方法为了确保同轴光电二极管监测系统的可靠性和有效性，本标准设定了系统的性能验证方法框架，包括但不限于：-利用标准参考件或已知缺陷样件，对监测系统的检测灵敏度、空间分辨率和误报率进行定量评价；-开展重复性实验，系统评估信号采集和缺陷判定的稳定性和可再现性；-建立信号特征与离线无损检测（如X射线CT）结果之间的关联性数据库。标准结合了工业CT等成熟离线检测手段，对原位监测判定结果进行验证比对，以增强监测结果的可信度。-制定监测系统校准周期和维护规范的指导性建议。4标准的行业价值与应用前景4.1填补国际标准空白ISO/ASTMTR52958:2026的发布在增材制造标准化历史进程中具有重要意义。在原位监测领域，此前尚无专门针对PBF-LB过程采用同轴光电二极管技术进行LoF缺陷检测的国际标准文件。各设备制造商和研究机构在监测系统设计、数据格式和缺陷判据方面各自为政，导致不同系统和不同实验室之间的监测结果缺乏可比性。本技术报告的出台为统一技术语言、规范技术路径提供了国际公认的参考框架。4.2推动PBF-LB技术工业化应用缺乏熔融缺陷是制约PBF-LB技术从"原型试制"向"批量生产"跨越的关键障碍之一。通过同轴光电二极管原位监测技术标准化，能够实现成形过程中LoF缺陷的实时识别和早期预警，从而：-显著降低成形构件的废品率，减少材料浪费和工时损失；-为关键构件的质量可追溯性提供过程数据支撑，满足航空航天、医疗植入物等高端领域对全流程质量记录的要求；-为闭环反馈质量控制奠定基础，即在信号判定的基础上，通过动态调整激光功率、扫描速度等工艺参数实现自适应修正，进一步提升成形质量的稳定性。4.3对增材制造质量保证体系的贡献本标准与增材制造领域其他标准共同构建了从原材料（ISO/ASTM52904）、工艺（ISO/ASTM52903）、检测（ISO/ASTM52902）到过程监测（ISO/ASTMTR52958）的完整标准链条。其发布将推动增材制造行业从"依赖终检"向"过程保证"的质量范式转变，助力增材制造产品质量认证和适航审定工作的开展。5标准主要制定参与单位5.1德国弗劳恩霍夫激光技术研究所作为本标准编制工作的核心支撑单位之一，德国弗劳恩霍夫激光技术研究所（FraunhoferInstituteforLaserTechnology,FraunhoferILT）在PBF-LB工艺研究和原位监测技术开发领域拥有逾二十年的深厚积累。该研究所位于德国亚琛市，是欧洲最大的应用激光技术研究机构，也是国际公认的增材制造技术发源地之一。FraunhoferILT早在1990年代中期即开始了激光增材制造技术的原理性研究，并于2000年代初率先开展了PBF-LB工艺的过程监测探索。其研究团队在同轴光学监测系统的设计与优化方面取得了多项开创性成果，开发了具有自主知识产权的高速同轴光电二极管监测系统，能够以最高100kHz的采样频率实时捕获熔池辐射信号，为LoF缺陷的在线识别提供了关键硬件基础。在ISO/ASTMTR52958:2026的编制过程中，FraunhoferILT的研究团队贡献了包括同轴监测光路设计准则、光电二极管探测器性能评价方法、信号特征提取算法等多方面技术内容，并提供了大量基于钛合金、镍基合金和不锈钢材料的实验验证数据，为技术报告的技术可行性提供了有力支撑。此外，FraunhoferILT还协调组织了多个国际实验室间的比对试验，验证了标准所述方法在不同设备和工艺条件下的可重复性和可移植性。FraunhoferILT在增材制造标准化领域的长期积极参与，使其成为ISO/TC261和ASTMF42的重要技术支撑力量，其成员还参与了ISO/ASTM52900、ISO/ASTM52902、ISO/ASTM52904等多部增材制造国际标准的制定工作。6结论与展望ISO/ASTMTR52958:2026《金属增材制造-粉末床熔融（PBF）-原位同轴光电二极管监测PBF-LB中缺乏熔融探伤》作为增材制造原位监测领域首部国际标准层面的技术报告，其发布填补了PBF-LB过程质量实时控制标准化领域的关键空白。该技术报告系统规定了同轴光电二极管监测系统的设计方案、信号特征分析方法和缺陷判定的验证框架，为设备制造商提供了统一的技术研发导向，为用户单位提供了系统选型和验收的评价依据，为后续研究机构提供了数据报告和学术交流的共同语言。从更宏观的视角审视，本标准只是增材制造过程监测标准化进程的起点。展望未来，以下几个方向值得重点关注：第一，随着多传感器融合监测技术的快速发展，将同轴光电二极管与其他监测手段（如高速摄像、红外热像、光学相干断层扫描等）相结合，实现熔池状态的多维度综合表征，将是后续标准修订或新标准制定的重要方向。第二，基于监测数据的闭环反馈控制技术已在实验室研究中展现出巨大潜力，建立"监测-判定-调整"的闭环控制标准框架，将进一步提升PBF-LB工艺的自适应能力和稳健性。第三，人工智能和机器学习技术在增材制造过程数据分析中的应用正在加速，如何将数据驱动的缺陷识别模型与标准化技术框架相结合，形成可验证、可追溯的智能判定方法，是标准化工作需要应对的新课题。第四，本标准目前主要聚焦于PBF-LB工艺路线，而针对电子束粉末床熔融（PBF-EB）、定向能量沉积（DED）等其他金属增材制造工艺的原位监测标准化需求同样迫切，相关标准的制定值得期待。参考文献[1]ISO/ASTM52900:2021.Additivemanufacturing—Generalprinciples—Fundamentalsandvocabulary.ISO/ASTMInternational,2021.[2]杨永强,王迪,王淑范.激光选区熔化成形技术及应用.北京:机械工业出版社,2020.[3]DebRoyT,WeiHL,ZubackJS,etal.Additivemanufacturingofmetalliccomponents–Process,structureandproperties.ProgressinMaterialsScience,2018,92: