南洋理工大學(xué)研發(fā)一種評(píng)估3D打印金屬零件質(zhì)量的新型成像方法

大多數(shù)3D打印金屬合金是由無(wú)數(shù)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不同之處。基于此，最近新加坡南洋理工大學(xué)（NTU Singapore）機(jī)械與航空航天工程學(xué)院和材料科學(xué)與工程學(xué)院的Matteo Seita助理教授及其團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種快速且低成本的成像方法，通過繪制3D打印金屬零件的晶體信息，推斷3D打印合金零件的強(qiáng)度和韌性等相關(guān)性能，進(jìn)而評(píng)估3D打印金屬零件的結(jié)構(gòu)和材料質(zhì)量。如同觀察木紋一樣，當(dāng)木紋在同一方向上連續(xù)時(shí)，強(qiáng)度和韌性最強(qiáng)。

南洋理工大學(xué)認(rèn)為，由該校開發(fā)的這項(xiàng)新型合金成像方法對(duì)于航空航天領(lǐng)域，顯然非常受益。因?yàn)榈侥壳盀橹梗?D打印金屬合金中分析“微觀結(jié)構(gòu)”一直還是一個(gè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的過程，通常是使用掃描電子顯微鏡進(jìn)行測(cè)量，且掃描電子顯微鏡的成本在10萬(wàn)到200萬(wàn)新元之間。而利用此次開發(fā)的新型合金成像方法，科學(xué)家或工程師使用一個(gè)由光學(xué)相機(jī)、手電筒和筆記本電腦組成的系統(tǒng)（總成本約為2.5萬(wàn)新元），運(yùn)行一個(gè)該團(tuán)隊(duì)研發(fā)的專有機(jī)器學(xué)習(xí)軟件，只需幾分鐘即可提供質(zhì)量分析，非常有益于航空器上渦輪、風(fēng)扇葉片和其他關(guān)鍵部件進(jìn)行低成本的快速評(píng)估，對(duì)維護(hù)和檢修行業(yè)具有非常重要的意義。

這一方法的具體操作是，首先需要用化學(xué)物質(zhì)處理金屬表面以揭示其微觀結(jié)構(gòu)；然后將樣品面向相機(jī)放置，用手電筒從不同方向照亮金屬，拍攝多幅光學(xué)圖像；最后，利用專用軟件分析不同金屬晶體表面反射的光產(chǎn)生的圖案，推斷出它們的方向。整個(gè)過程操作簡(jiǎn)單、耗時(shí)短。該團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)已發(fā)表在《npj計(jì)算材料學(xué)》（npj Computational Materials）刊物上。助理教授Seita解釋說(shuō)，“通過使用低成本且快速的成像方法，我們可以很容易地分辨出好的3D打印金屬零件和有缺陷的零件。目前，除非我們?cè)敿?xì)評(píng)估材料的微觀結(jié)構(gòu)，否則我們不可能分辨出其中的區(qū)別。即使兩個(gè)3D打印的金屬零件可能是使用相同的技術(shù)生產(chǎn)的，并且具有相同的幾何結(jié)構(gòu)，但他們絕不相同。從理論上講，這類似于兩個(gè)原本相同的木制物件可能各自擁有不同的紋理結(jié)構(gòu)。”

新的成像方法改進(jìn)了3D打印認(rèn)證和質(zhì)量評(píng)估。Seita助理教授認(rèn)為，他們創(chuàng)新的成像方法可能簡(jiǎn)化3D打印生產(chǎn)的金屬合金零件的認(rèn)證和質(zhì)量評(píng)估。

3D打印金屬零件最常用的技術(shù)之一是使用高功率激光熔化金屬粉末，并將它們一層一層地熔合在一起，直到打印出完整的產(chǎn)品。

然而，微觀結(jié)構(gòu)以及由此產(chǎn)生的印刷金屬的質(zhì)量取決于許多因素，包括激光的速度或強(qiáng)度，在下一層熔化之前金屬冷卻的時(shí)間，甚至使用的金屬粉末的類型和品牌。這也是為什么由兩臺(tái)不同的機(jī)器或生產(chǎn)車間打印出的相同設(shè)計(jì)可能會(huì)導(dǎo)致不同質(zhì)量的零件。

Seita助理教授和他的團(tuán)隊(duì)開發(fā)的“智能軟件”沒有使用復(fù)雜的計(jì)算機(jī)程序測(cè)量采集到的光信號(hào)中的晶體方向，而是使用一個(gè)中性網(wǎng)絡(luò)模擬人腦如何形成聯(lián)想和處理思維。然后，該團(tuán)隊(duì)使用機(jī)器學(xué)習(xí)為該軟件編程，為其提供數(shù)百?gòu)埞鈱W(xué)圖像。

他們的軟件最終學(xué)會(huì)如何根據(jù)光從金屬表面散射的不同，從圖像中預(yù)測(cè)金屬中晶體的方向，進(jìn)而創(chuàng)建一個(gè)完整的“晶體取向圖”，該圖中包含了有關(guān)晶體形狀、大小和原子晶格取向的全面信息。

（摘自《中國(guó)航空?qǐng)?bào)》 ）C1CDA93E-8266-4B89-99F5-81CE67C7DD45