APL研究人員基于導(dǎo)彈防御系統(tǒng)，開發(fā)出可在納秒內(nèi)檢測增材制造缺陷的裝置

2024年5月14日，南極熊獲悉，來自約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室 (APL) 的研究人員開發(fā)出能夠?qū)崟r(shí)檢測增材制造缺陷的先進(jìn)傳感器，以解決制造過程中出現(xiàn)的缺陷問題，避免損害組件的強(qiáng)度和可靠性。

由 Vince Pagán 和Morgan Trexler 領(lǐng)導(dǎo)的 APL 團(tuán)隊(duì)在解決粉末床熔融過程中出現(xiàn)的缺陷方面取得了重大進(jìn)展。這一過程中的一個(gè)常見問題是形成匙孔缺陷——凝固金屬內(nèi)殘留的微小氣泡，削弱了其結(jié)構(gòu)完整性。當(dāng)激光過快地傳遞過多的能量時(shí)，就會出現(xiàn)這些缺陷，從而導(dǎo)致熔化的金屬不穩(wěn)定。

APL 團(tuán)隊(duì)從自然界中進(jìn)行類比，例如通過觀察表面破壞來識別河流中的水下巖石，APL 團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種通過監(jiān)測制造過程中的熱和光譜異常來檢測潛在缺陷的方法。他們假設(shè)，當(dāng)檢測到這些異常時(shí)，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。最右邊的幻燈片顯示了冷卻金屬內(nèi)捕獲的蒸汽。 APL 的目標(biāo)是通過開發(fā)新穎的傳感方法來防止此類缺陷，這些方法可以在異常完全形成之前檢測到它們。來源：約翰·霍普金斯 APL。

這一突破來自于開發(fā)可在微秒內(nèi)響應(yīng)的定制傳感器——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，速度非�？臁＿@些傳感器是與約翰·霍普金斯大學(xué)的Mark Foster 及其團(tuán)隊(duì)合作開發(fā)的，配備了多個(gè)波長的光電二極管，并具有增強(qiáng)的采樣頻率。這種設(shè)置可以高分辨率捕獲熔池動態(tài)數(shù)據(jù)——這對于早期檢測缺陷至關(guān)重要。

在實(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——如果檢測到過多的熱量，則指示它立即關(guān)閉。這種快速響應(yīng)系統(tǒng)可以在百萬分之十到二十秒內(nèi)采取行動，基于導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的技術(shù)。這些系統(tǒng)響應(yīng)數(shù)據(jù)輸入的敏捷性是成功預(yù)防缺陷的關(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)，這比它所監(jiān)控的物理過程要快得多。此功能使系統(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，該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃將人工智能納入系統(tǒng)中，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)。