3D打印金屬零件新型成像檢測方法，可能會改變航空航天業(yè)的游戲規(guī)則

導(dǎo)讀：3D打印零件的質(zhì)量檢測是至關(guān)重要的一步，生產(chǎn)人員需要依據(jù)檢測結(jié)果對工藝進(jìn)行適時調(diào)整，以避免造成更大的質(zhì)量事故。而現(xiàn)有的檢測體系大多費(fèi)時費(fèi)力、成本高昂，所以，如何造就一套針對3D打印零件的質(zhì)量檢測系統(tǒng)是其產(chǎn)品能否走向產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵所在。

2022年2月28日，南極熊獲悉，來自新加坡南洋理工大學(xué)（NTU Singapore）的研究人員開發(fā)了一種新型的快速和低成本的成像方法來評估3D打印金屬零件的質(zhì)量。

這種成像方法能夠分析零件的微觀結(jié)構(gòu)和材料質(zhì)量，可以說對航空航天等行業(yè)是一種改變。因?yàn)樵谶@些行業(yè)中，對渦輪機(jī)和風(fēng)扇葉片等關(guān)鍵任務(wù)零件進(jìn)行低成本、高效的評估，可以證明對維護(hù)、修理和大修（MRO）有重要意義。

南洋理工大學(xué)助理教授Matteo Seita說："使用我們廉價和快速的成像方法，可以很容易地分辨出好的3D打印金屬零件和有問題的零件。目前，除非我們對材料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行深層次、高倍率的分析，否則不可能分辨出區(qū)別。生產(chǎn)中不存在兩個完全一樣3D打印的金屬零件，即使它們可能是使用相同的技術(shù)生產(chǎn)的，并且具有相同的幾何形狀。從概念上講，就算兩個一模一樣的的木制工藝品，往深層次分析后也可能會展示出不同的紋理結(jié)構(gòu)。"

△分析3D打印金屬表面的獨(dú)特晶體圖案可能為通過快速成型制造的部件的認(rèn)證和質(zhì)量評估鋪平道路。照片來自新加坡國立大學(xué)。

對微觀晶體的成像

大多數(shù)3D打印的金屬合金都是由大量的微觀晶體組成，這些晶體在形狀、大小和原子晶格方向上都有所不同?？茖W(xué)家們能夠通過繪制這些微觀晶體圖來確定一種合金的特性，例如其強(qiáng)度和韌性。研究人員將此比作觀察木紋，當(dāng)木紋在同一方向連續(xù)時，木材是最堅固的。

然而，到目前為止，分析3D打印金屬合金內(nèi)的這種微觀結(jié)構(gòu)一直是一個費(fèi)力費(fèi)時的過程，通常涉及電子顯微鏡掃描，其成本在73,000美元至150萬美元之間。

Seita和他的團(tuán)隊開發(fā)了他們的新型成像方法，只需幾分鐘就能提供同樣質(zhì)量的信息，重點(diǎn)是成本更低。他們使用了一個由光學(xué)相機(jī)、手電筒和運(yùn)行團(tuán)隊開發(fā)的專有機(jī)器學(xué)習(xí)軟件的筆記本電腦組成的系統(tǒng)，總成本約為18,400美元。

該方法包括用化學(xué)品處理3D打印部件的表面，以顯示其微觀結(jié)構(gòu)，然后在手電筒從不同方向照亮金屬時用相機(jī)拍攝多張光學(xué)圖像。然后，科學(xué)家們的專利軟件分析由零件表面反射的光線產(chǎn)生的圖案，并在15分鐘內(nèi)推斷出它們的方向。

△新加坡國立大學(xué)助理教授Matteo Seita拿著一塊3D打印的金屬合金，通過使用光學(xué)相機(jī)和機(jī)器學(xué)習(xí)的新型低成本成像系統(tǒng)，可以在15分鐘內(nèi)輕松分析其特性。照片來自新加坡國立大學(xué)。

改善3D打印部件的質(zhì)量評估模式

新加坡國立大學(xué)的研究人員認(rèn)為他們的成像方法可以簡化3D打印金屬合金部件的認(rèn)證和質(zhì)量評估，特別是那些通過激光技術(shù)生產(chǎn)的部件。

由于激光強(qiáng)度和速度、冷卻時間以及所使用的金屬粉末的類型和品牌不同，導(dǎo)致3D打印金屬的微觀結(jié)構(gòu)可能會有所不同，這意味著同樣的設(shè)計在兩臺不同的機(jī)器或生產(chǎn)車間進(jìn)行3D打印，可能會產(chǎn)生不同質(zhì)量的零件。

NTU團(tuán)隊的軟件使用了一個模擬大腦如何形成聯(lián)想和處理思維的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)，根據(jù)光在表面散射的方式的差異，預(yù)測金屬零件內(nèi)晶體的方向。

△南洋理工大學(xué)助教Matteo Seita使用原型成像系統(tǒng)分析一塊3D打印合金的強(qiáng)度和硬度。照片來自新加坡國立大學(xué)。

該軟件成功地創(chuàng)建了一個完整的 "晶體方向圖"，能夠提供關(guān)于3D打印部件內(nèi)的晶體形狀、尺寸和原子晶格方向的信息。

根據(jù)NTU團(tuán)隊的說法，這種方法可以使關(guān)鍵任務(wù)部件和行業(yè)受益，特別是快速、相對低成本的質(zhì)量評估。該團(tuán)隊正在與NTUitive（NTU的創(chuàng)新和企業(yè)公司）討論，探討成立一個分拆公司的可能性，或?qū)＠上褴浖跈?quán)給行業(yè)參與者。

關(guān)于這項(xiàng)研究的更多信息可以在NPJ計算材料雜志上發(fā)表的題為："A machine learning approach to map crystal orientation byoptical microscopy"的論文中找到。這項(xiàng)研究是由M. Wittwer和M. Seita共同撰寫的。

相關(guān)論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41524-021-00688-1

金屬零件質(zhì)量監(jiān)測方面的進(jìn)展

根據(jù)世界經(jīng)濟(jì)論壇的說法，簡化3D打印的鑒定過程將是其產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。TüV南德意志集團(tuán)的Gregor Reischle和Christophe Blanc最近對這一觀點(diǎn)表示贊同，稱質(zhì)量保證可以為系列化的增材制造提供更快途徑。

過去，機(jī)器學(xué)習(xí)已被部署到檢測3D打印部件的缺陷，并通過減少金屬3D打印過程中的 "飛濺"來提高單個金屬層的質(zhì)量。X射線成像以前被用來減輕金屬3D打印部件的缺陷，而個別粉末被不斷修整以提高金屬終端部件的質(zhì)量和表面光潔度。

這一領(lǐng)域最近也有很多的發(fā)展，賓夕法尼亞州立大學(xué)從科學(xué)技術(shù)公司3M公司獲得了價值18萬美元的撥款，用于探索金屬3D打印的質(zhì)量控制方法，而勞倫斯-利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的工程師則開發(fā)了一種通過液體金屬噴射（LMJ）3D打印生產(chǎn)優(yōu)化零件性能的方法。