聲學(xué)監(jiān)測(cè)金屬3D打印中的質(zhì)量缺陷
為了得到優(yōu)質(zhì)的3D打印零件，過程監(jiān)控是至關(guān)重要的。盡管熱成像是監(jiān)控某些類型3D打?。ㄈ缂す夥勰┐踩酆?LPBF)）的最明顯方法，但聲學(xué)監(jiān)控也開始展現(xiàn)出潛在前景。
洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院 (EPFL) 的科研人員宣稱，聲學(xué)監(jiān)測(cè)不僅可行，而且可能優(yōu)于熱成像技術(shù)。
3D打印過程監(jiān)控技術(shù)
眾所周知，檢測(cè)3D打印錯(cuò)誤并不是什么新鮮事，近年來人們已經(jīng)開發(fā)了許多檢測(cè)方案，以確保檢測(cè)結(jié)果的可靠性和可重復(fù)性。這一過程通常依賴于能夠從已知情況中得出結(jié)論的算法。目前來說，這些算法往往并不完善，需要進(jìn)行大量測(cè)試。因此，洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的科學(xué)家們希望通過一種可靠的技術(shù)來克服這一限制。
該學(xué)院一組科學(xué)家一直在研究金屬3D打印中的缺陷問題，特別是在使用激光工藝時(shí)。他們的目標(biāo)是開發(fā)一種基于3D打印機(jī)聲音分析的方法，以預(yù)測(cè)打印錯(cuò)誤，從而獲得更好的結(jié)果。因此，他們研究了機(jī)器在打印完美構(gòu)件過程中發(fā)出的聲音，以及3D打印機(jī)在打印過程中出現(xiàn)故障時(shí)發(fā)出的聲音。
△用于監(jiān)控3D打印缺陷的實(shí)驗(yàn)效果圖示意
洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院與Paul Scherrer研究所（PSI）和瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（Empa）合作，在3D打印室中放置了一個(gè)麥克風(fēng)，以檢測(cè)金屬粉末狀態(tài)變化時(shí)聲學(xué)信號(hào)的變化。
△隨機(jī)狀態(tài)不穩(wěn)定性以及隨后從傳導(dǎo)到穩(wěn)定和不穩(wěn)定鎖孔狀態(tài)的轉(zhuǎn)變
在激光粉末床熔合中，薄層金屬粉末被加熱以逐層形成所需的物體。材料經(jīng)歷不同的相——固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)——形成熔池。洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院解釋說：“有時(shí)，由于激光角度或粉末或零件的特定幾何屬性的存在等變量，該過程可能會(huì)出現(xiàn)問題。這些被稱為“區(qū)域間不穩(wěn)定性”的情況有時(shí)會(huì)促使兩種熔化方法（稱為“傳導(dǎo)”和“鎖孔”區(qū)域）之間發(fā)生轉(zhuǎn)變。
△該研究已發(fā)表在《自然通訊》上，題目為“協(xié)調(diào)聲音和光：X 射線成像揭示了激光熔化過程中隨機(jī)區(qū)域間不穩(wěn)定性的聲學(xué)特征”（傳送門）
研究小組使用X射線圖像來測(cè)量熔池（寬度和深度），并開發(fā)出一種方法，使他們能夠看到金屬在液態(tài)時(shí)的變化。由于打印室中安裝了麥克風(fēng)，通過將聲學(xué)信號(hào)和X射線圖像關(guān)聯(lián)起來，研究人員能夠設(shè)計(jì)出一種濾波算法，可以以100 μs的時(shí)間分辨率預(yù)測(cè)熔化狀態(tài)。
首席研究員Milad Hamidi Nasab補(bǔ)充道：“同步加速器X射線成像與聲學(xué)記錄的協(xié)同作用，提供了對(duì)LPBF過程的實(shí)時(shí)洞察，有助于檢測(cè)可能危及產(chǎn)品完整性的缺陷?！?/span>
這種方法特別值得注意的是，它消除了對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)和其他計(jì)算成本高昂的人工智能 (AI) 形式的需求。所需要的只是一個(gè)簡(jiǎn)單的過濾算法。
EPFL熱機(jī)械冶金實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人Roland Logé表示：“這項(xiàng)研究為更好地理解和完善制造工藝鋪平了道路，并最終將提高產(chǎn)品的長(zhǎng)期可靠性。”
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