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增材制造領(lǐng)域最持久的挑戰(zhàn)之一，無(wú)疑是工藝可靠性的問(wèn)題。如何確保3D打印部件能夠滿足預(yù)期性能要求？它們能否經(jīng)受住時(shí)間的考驗(yàn)？又是否能為所有打印批次重現(xiàn)完全一致的生產(chǎn)條件？這些問(wèn)題在金屬3D打印中尤為突出，許多行業(yè)專(zhuān)業(yè)人士至今仍因其可靠性與可重復(fù)性的不足而持保留態(tài)度。
那么，如果我們能夠發(fā)展更精密的過(guò)程控制與更準(zhǔn)確的模擬技術(shù)，情況會(huì)如何轉(zhuǎn)變？這正是勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）無(wú)損評(píng)估（NDE）團(tuán)隊(duì)的研究焦點(diǎn)——他們的目標(biāo)是觀察并分析打印過(guò)程中材料與結(jié)構(gòu)在部件內(nèi)部的演變，進(jìn)而提出確保更高品質(zhì)與更一致成品的技術(shù)方案。
由于大多數(shù)金屬3D打印技術(shù)依賴(lài)熱源將金屬顆粒熔合，目前仍難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)打印過(guò)程中金屬的行為反應(yīng)。金屬對(duì)熱變化極為敏感，溫度波動(dòng)會(huì)直接影響到正在成形中的結(jié)構(gòu)。打印過(guò)程中的熱擴(kuò)散會(huì)影響顆粒間的結(jié)合質(zhì)量，從而可能引發(fā)缺陷、故障乃至整件報(bào)廢。
材料工程部（MED）超聲波與傳感器無(wú)損檢測(cè)小組負(fù)責(zé)人David Stobbe指出：“要讓金屬3D打印部件在全球范圍內(nèi)獲得信賴(lài)與應(yīng)用，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)不可或缺。如果我們能證明3D打印部件的性能符合設(shè)計(jì)預(yù)期，將極大推動(dòng)該技術(shù)的普及，使其能夠應(yīng)用于航空航天、能源等領(lǐng)域的安全關(guān)鍵部件，并有望開(kāi)創(chuàng)制造業(yè)的新范式?！蹦敲?，這一技術(shù)在實(shí)踐中如何運(yùn)作？
該研究依賴(lài)于一套多信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。這些信號(hào)可以是電流、X射線或超聲波等。它們穿透正在打印的部件，研究人員通過(guò)分析信號(hào)的變化來(lái)監(jiān)測(cè)內(nèi)部狀態(tài)。例如，實(shí)驗(yàn)室大氣、地球與能源部門(mén)（AEED）的研究科學(xué)家Saptarshi Mukherjee正在進(jìn)行一個(gè)項(xiàng)目，利用渦流——即在導(dǎo)電材料中感生的電流——來(lái)監(jiān)測(cè)激光粉末床熔融過(guò)程中的內(nèi)部溫度。渦流對(duì)材料的電導(dǎo)率非常敏感，而電導(dǎo)率又是溫度的函數(shù)，因此通過(guò)解讀渦流信號(hào)，就能獲得打印部件內(nèi)部溫度的實(shí)時(shí)信息。
MED博士后研究員Ethan Rosenberg補(bǔ)充道：“據(jù)我們所知，這是首次使用渦流傳感器來(lái)觀測(cè)這類(lèi)非?？焖?、非平衡的熱過(guò)程，其特性與金屬增材制造中實(shí)際觀察到的熱過(guò)程極為相似?！?/p>
目前，已有多個(gè)研究項(xiàng)目依托于X射線斷層掃描、電阻斷層掃描、超聲波等技術(shù)展開(kāi)，這些技術(shù)尤其適用于研究晶格結(jié)構(gòu)或復(fù)雜幾何形狀的打印過(guò)程。研究團(tuán)隊(duì)的明確目標(biāo)，是拓展此類(lèi)工作并推廣所開(kāi)發(fā)的方法。
最終，他們希望開(kāi)發(fā)出機(jī)器學(xué)習(xí)算法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬3D打印過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并在錯(cuò)誤發(fā)生前及時(shí)進(jìn)行修正。這將為金屬增材制造技術(shù)開(kāi)啟更廣泛的應(yīng)用前景，并帶來(lái)前所未有的可能性。
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