瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院 (EPFL) 是一所位于瑞士洛桑的公立研究型大學(xué)，其研究人員開發(fā)了一種用于檢測激光粉末床熔合 (LPBF) 零件實時生產(chǎn)中缺陷的方法。該技術(shù)具有靈敏的麥克風(fēng)、X 射線數(shù)據(jù)和處理這些數(shù)據(jù)集以查找異常情況的自適應(yīng)濾波器。 

洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的研究證明了聲學(xué)監(jiān)測在檢測激光增材制造缺陷方面的有效性。圖片由EPFL提供

什么是激光粉床熔融 (LPBF)？

激光粉床融合 (LPBF) 是一種增材制造技術(shù)，通常由金屬生成三維形狀。與 3D 打印不同，LPBF 使用粉末金屬原料而不是塑料絲。將粉末金屬床放置在可移動的平臺上，激光掃描粉末表面，有選擇地熔化粉末，并根據(jù)工程師的設(shè)計使其凝固。根據(jù)配置，床或激光器可以在激光器完成一層后沿 z 方向移動，并且激光器光柵化下一層。

LPBF 制造中的常見缺陷

每當(dāng)一個過程引入材料的相變時，就會出現(xiàn)許多問題。LPBF 作為一種生產(chǎn)方法具有一些明顯的優(yōu)點，但未壓縮粉末的熔化很復(fù)雜。

粉末的填充系數(shù)或粒度分布較低或可變，可能會導(dǎo)致顆粒的加熱和熔化不一致，這意味著某些顆?？赡軙舭l(fā)，而另一些顆粒則不會完全熔化。這些不一致可能導(dǎo)致固體夾雜物、孔隙度和其他問題。固體夾雜物可能會導(dǎo)致部件的最終設(shè)計出現(xiàn)問題。孔隙率可以區(qū)分高質(zhì)量部件和廢品。 

最常見的缺陷來源之一是熔融金屬池達(dá)到比預(yù)期更深的程度，這可能是由于激光穿透深度超過所需深度或施加的熱量超過所需溫度造成的。由于凝固收縮、較小顆粒的蒸發(fā)和其他機(jī)制，這種缺陷可能導(dǎo)致孔隙率。

洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院 (EPFL) 的研究人員能夠?qū)?LPBF 零件中的缺陷與 X 射線和聲學(xué)傳感器進(jìn)行匹配。圖片由EPFL提供

用于缺陷檢測的聲學(xué)監(jiān)測

洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員最近發(fā)現(xiàn)了一種利用聲學(xué)檢測缺陷的方法。研究人員使用聲學(xué)傳感器和 X 射線數(shù)據(jù)來近乎實時地確定缺陷的位置。當(dāng)樣品在生產(chǎn)過程中受到 X 射線轟擊時，生產(chǎn)室中的超靈敏麥克風(fēng)檢測到聲音的微小變化。

從那里，比較兩個數(shù)據(jù)集以開發(fā)自適應(yīng)濾波器。這種方法能夠?qū)⒙曇舢惓Ｅc成品中的孔隙關(guān)聯(lián)起來。瑞士聯(lián)邦材料科學(xué)與技術(shù)實驗室信號處理專家 Giulio Masinelli 表示：“這種過濾方法使我們能夠以無與倫比的清晰度辨別缺陷與伴隨的聲學(xué)特征之間的關(guān)系。”

與傾向于采用大數(shù)據(jù)集并專注于非常具體的標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法不同，自適應(yīng)濾波器的范圍要廣泛得多，可以應(yīng)用于更多情況。自適應(yīng)濾波器將更加靈活，可以檢測各種 LPBF 零件幾何形狀的缺陷。該檢測系統(tǒng)的神奇之處在于自適應(yīng)濾波器設(shè)計。

激光增材制造的未來

LPBF 仍然是一項年輕的、正在發(fā)展的制造技術(shù)。盡管技術(shù)正在成熟，但它過去一直受到缺陷的困擾。隨著實時檢測和糾正缺陷的新方法的出現(xiàn)，LPBF 的實用性將會增長，使得新的、難以制造的、無缺陷的幾何形狀成為可能。