新的研究證明了聲學監(jiān)測可用于金屬3D打印中的質量缺陷

南極熊導讀：為了得到優(yōu)質的3D打印零件，過程監(jiān)控是至關重要的。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，但聲學監(jiān)控也開始展現(xiàn)出潛在前景。

2024年1月17日，南極熊獲悉，洛桑聯(lián)邦理工學院 (EPFL) 的科研人員宣稱，聲學監(jiān)測不僅可行，而且可能優(yōu)于熱成像技術。

3D打印過程監(jiān)控技術

眾所周知，檢測3D打印錯誤并不是什么新鮮事，近年來人們已經開發(fā)了許多檢測方案，以確保檢測結果的可靠性和可重復性。這一過程通常依賴于能夠從已知情況中得出結論的算法。目前來說，這些算法往往并不完善，需要進行大量測試。因此，洛桑聯(lián)邦理工學院的科學家們希望通過一種可靠的技術來克服這一限制。

該學院一組科學家一直在研究金屬3D打印中的缺陷問題，特別是在使用激光工藝時。他們的目標是開發(fā)一種基于3D打印機聲音分析的方法，以預測打印錯誤，從而獲得更好的結果。因此，他們研究了機器在打印完美構件過程中發(fā)出的聲音，以及3D打印機在打印過程中出現(xiàn)故障時發(fā)出的聲音。

△用于監(jiān)控3D打印缺陷的實驗效果圖示意

洛桑聯(lián)邦理工學院與Paul Scherrer研究所（PSI）和瑞士聯(lián)邦材料科學與技術實驗室（Empa）合作，在3D打印室中放置了一個麥克風，以檢測金屬粉末狀態(tài)變化時聲學信號的變化。

△隨機狀態(tài)不穩(wěn)定性以及隨后從傳導到穩(wěn)定和不穩(wěn)定鎖孔狀態(tài)的轉變

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)邦理工學院解釋說：“有時，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，該過程可能會出現(xiàn)問題。這些被稱為“區(qū)域間不穩(wěn)定性”的情況有時會促使兩種熔化方法（稱為“傳導”和“鎖孔”區(qū)域）之間發(fā)生轉變。

△該研究已發(fā)表在《自然通訊》上，題目為“協(xié)調聲音和光：X 射線成像揭示了激光熔化過程中隨機區(qū)域間不穩(wěn)定性的聲學特征”（傳送門）

研究小組使用X射線圖像來測量熔池（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)時的變化。由于打印室中安裝了麥克風，通過將聲學信號和X射線圖像關聯(lián)起來，研究人員能夠設計出一種濾波算法，可以以100 µs的時間分辨率預測熔化狀態(tài)。

首席研究員Milad Hamidi Nasab補充道：“同步加速器X射線成像與聲學記錄的協(xié)同作用，提供了對LPBF過程的實時洞察，有助于檢測可能危及產品完整性的缺陷�！�

這種方法特別值得注意的是，它消除了對機器學習和其他計算成本高昂的人工智能 (AI) 形式的需求。所需要的只是一個簡單的過濾算法。

EPFL熱機械冶金實驗室負責人Roland Logé表示：“這項研究為更好地理解和完善制造工藝鋪平了道路，并最終將提高產品的長期可靠性�！�