增材制造(Additive Manufacturing, AM)技術(shù)有望徹底改變工業(yè)格局,但其面臨的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是在制造過(guò)程中可能出現(xiàn)的缺陷,這些缺陷會(huì)損害組件的強(qiáng)度和可靠性。約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室(APL)的研究人員正在通過(guò)開(kāi)發(fā)先進(jìn)的傳感器來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題,這些傳感器能夠在制造過(guò)程中實(shí)時(shí)檢測(cè)缺陷。
由Vince Pagán和Morgan Trexler領(lǐng)導(dǎo)的APL團(tuán)隊(duì)在解決粉末床熔融(Powder Bed Fusion)過(guò)程中出現(xiàn)的缺陷方面取得了重大進(jìn)展。粉末床熔融技術(shù)中一個(gè)常見(jiàn)的問(wèn)題是匙孔缺陷的形成,即在凝固金屬內(nèi)殘留的微小氣泡,這會(huì)削弱金屬的結(jié)構(gòu)完整性。當(dāng)激光過(guò)快地傳遞過(guò)多的能量時(shí),就會(huì)出現(xiàn)這些缺陷,導(dǎo)致熔化的金屬不穩(wěn)定。
APL團(tuán)隊(duì)通過(guò)觀察大自然中的現(xiàn)象,例如通過(guò)觀察河流中的水下巖石識(shí)別表面破壞,開(kāi)發(fā)了一種方法,通過(guò)監(jiān)測(cè)制造過(guò)程中的熱和光譜異常來(lái)檢測(cè)潛在的缺陷。他們假設(shè),當(dāng)檢測(cè)到這些異常時(shí),通過(guò)短暫暫停激光,金屬可以充分冷卻以防止蒸氣泡的形成。
小孔缺陷形成的模型視圖,圖片來(lái)自:約翰·霍普金斯大學(xué)
約翰·霍普金斯大學(xué)借助導(dǎo)彈防御系統(tǒng)中的技術(shù),能夠在納秒內(nèi)檢測(cè)到增材制造中的缺陷。團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種能夠在微秒內(nèi)響應(yīng)的定制傳感器,這種傳感器速度非???,考慮到增材制造中材料的凝固速度比傳統(tǒng)工藝快數(shù)千倍。傳感器與Mark Foster及其團(tuán)隊(duì)合作開(kāi)發(fā),配備了多個(gè)波長(zhǎng)的光電二極管,并具有增強(qiáng)的采樣頻率,可以高分辨率地捕捉熔池動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù),這對(duì)于早期檢測(cè)缺陷至關(guān)重要。
在實(shí)踐中,傳感器被集成到一個(gè)控制框架中,該框架直接與激光器通信。如果檢測(cè)到過(guò)多的熱量,傳感器會(huì)指示激光器立即關(guān)閉。這種快速響應(yīng)系統(tǒng)基于導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的技術(shù),可在百萬(wàn)分之十至二十秒內(nèi)采取行動(dòng)。系統(tǒng)響應(yīng)數(shù)據(jù)輸入的敏捷性是成功防止缺陷的關(guān)鍵。
APL團(tuán)隊(duì)成功證明了系統(tǒng)能夠在不到一微秒的時(shí)間內(nèi)做出響應(yīng),這比其所監(jiān)控的物理過(guò)程要快得多。該功能使系統(tǒng)能夠先發(fā)制人地解決潛在缺陷,確保最終產(chǎn)品的完整性。
展望未來(lái),APL團(tuán)隊(duì)計(jì)劃將人工智能納入系統(tǒng),以提高反饋循環(huán)的速度和準(zhǔn)確性,從而有可能在制造過(guò)程中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)整。這一發(fā)展不僅有望提高增材制造在生產(chǎn)無(wú)缺陷組件方面的可靠性,而且還為該技術(shù)在各個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域的更廣泛采用奠定了基礎(chǔ)。
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