增材制造(Additive Manufacturing, AM)技術(shù)有望徹底改變工業(yè)格局,但其面臨的一個主要挑戰(zhàn)是在制造過程中可能出現(xiàn)的缺陷,這些缺陷會損害組件的強度和可靠性。約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室(APL)的研究人員正在通過開發(fā)先進的傳感器來解決這個問題,這些傳感器能夠在制造過程中實時檢測缺陷。
由Vince Pagán和Morgan Trexler領(lǐng)導(dǎo)的APL團隊在解決粉末床熔融(Powder Bed Fusion)過程中出現(xiàn)的缺陷方面取得了重大進展。粉末床熔融技術(shù)中一個常見的問題是匙孔缺陷的形成,即在凝固金屬內(nèi)殘留的微小氣泡,這會削弱金屬的結(jié)構(gòu)完整性。當(dāng)激光過快地傳遞過多的能量時,就會出現(xiàn)這些缺陷,導(dǎo)致熔化的金屬不穩(wěn)定。
APL團隊通過觀察大自然中的現(xiàn)象,例如通過觀察河流中的水下巖石識別表面破壞,開發(fā)了一種方法,通過監(jiān)測制造過程中的熱和光譜異常來檢測潛在的缺陷。他們假設(shè),當(dāng)檢測到這些異常時,通過短暫暫停激光,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)檢測到增材制造中的缺陷。團隊開發(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??欤紤]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及其團隊合作開發(fā),配備了多個波長的光電二極管,并具有增強的采樣頻率,可以高分辨率地捕捉熔池動態(tài)數(shù)據(jù),這對于早期檢測缺陷至關(guān)重要。
在實踐中,傳感器被集成到一個控制框架中,該框架直接與激光器通信。如果檢測到過多的熱量,傳感器會指示激光器立即關(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),可在百萬分之十至二十秒內(nèi)采取行動。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團隊成功證明了系統(tǒng)能夠在不到一微秒的時間內(nèi)做出響應(yīng),這比其所監(jiān)控的物理過程要快得多。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,APL團隊計劃將人工智能納入系統(tǒng),以提高反饋循環(huán)的速度和準確性,從而有可能在制造過程中實現(xiàn)實時調(diào)整。這一發(fā)展不僅有望提高增材制造在生產(chǎn)無缺陷組件方面的可靠性,而且還為該技術(shù)在各個關(guān)鍵領(lǐng)域的更廣泛采用奠定了基礎(chǔ)。
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