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·霍普金斯大學應用物理實驗室（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領導的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。當激光過快地傳遞過多的能量時，就會出現(xiàn)這些缺陷，導致熔化的金屬不穩(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，當檢測到這些異常時，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

約翰·霍普金斯大學借助導彈防御系統(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)響應的定制傳感器，這種傳感器速度非常快，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。這種快速響應系統(tǒng)基于導彈防御系統(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，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)鍵領域的更廣泛采用奠定了基礎。

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·霍普金斯大學應用物理實驗室（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領導的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。當激光過快地傳遞過多的能量時，就會出現(xiàn)這些缺陷，導致熔化的金屬不穩(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，當檢測到這些異常時，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

約翰·霍普金斯大學借助導彈防御系統(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)響應的定制傳感器，這種傳感器速度非常快，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。這種快速響應系統(tǒng)基于導彈防御系統(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，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)鍵領域的更廣泛采用奠定了基礎。