用于防止金屬3D打印缺陷的實(shí)時(shí)原位熔池分析和數(shù)字孿生方法

2021年10月16日，南極熊獲悉，來自內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校、德雷塞爾大學(xué)、納瓦霍技術(shù)大學(xué)和SigmaLabs的一組研究人員開發(fā)了一種檢測(cè)激光粉末床熔融（LPBF）3D打印部件缺陷的新流程，并在此流程中使用了數(shù)字孿生技術(shù)。

該團(tuán)隊(duì)在研究論文中概述了一種數(shù)字孿生策略，它整合了物理學(xué)和數(shù)據(jù)，在LPBF打印過程中形成缺陷時(shí)提供實(shí)時(shí)檢測(cè)。通過將原位熔池溫度測(cè)量與計(jì)算預(yù)測(cè)相結(jié)合，研究人員能夠檢測(cè)和識(shí)別不銹鋼葉輪中三種不同類型的缺陷。

研究的目標(biāo)是消除LPBF工藝容易產(chǎn)生的缺陷，以使其適用于航空航天和生物醫(yī)學(xué)等精密驅(qū)動(dòng)的行業(yè)，同時(shí)防止網(wǎng)絡(luò)安全威脅，如工藝篡改。

△研究人員的物理和數(shù)據(jù)集成數(shù)字孿生戰(zhàn)略。圖片來自《Materials & Design》

LPBF期間的缺陷形成

盡管LPBF 3D打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)幾何自由和顯著的成本和時(shí)間節(jié)約，但迄今為止，航空航天和醫(yī)療等高精度行業(yè)在采用該技術(shù)制造安全關(guān)鍵部件時(shí)一直猶豫不決，因?yàn)樗�容易產(chǎn)生缺陷。

網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)也已成為另一個(gè)新出現(xiàn)的問題，不僅在LPBF中，而且在其他3D打印工藝中，惡意的一方可能會(huì)篡改工藝參數(shù)，在零件中植入缺陷，從而影響其性能。

正在進(jìn)行越來越多的研究，以解決這些問題并減少LPBF工藝中出現(xiàn)缺陷的機(jī)會(huì)。為了改進(jìn)工藝，已經(jīng)對(duì)某些金屬的微裂紋的原因進(jìn)行了研究，就像對(duì)光束成形的影響一樣。

已經(jīng)在這一領(lǐng)域開展了大量工作的代表性公司是德克薩斯A&M，它與阿貢國家實(shí)驗(yàn)室合作，部署機(jī)器學(xué)習(xí)來預(yù)測(cè)3D打印部件的缺陷，并建立了一個(gè)LPBF "速度限制"，在此限制下，“J形氣泡”等缺陷不太可能在3D打印部件上形成。

就在上個(gè)月，德克薩斯A&M的科學(xué)家們推出了一種基于單軌打印數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)的LPBF 3D打印無缺陷金屬零件的通用方法。研究團(tuán)隊(duì)聲稱，與現(xiàn)有的參數(shù)優(yōu)化方法相比，他們的方法成本更低、耗時(shí)更長、更簡單，因此非常適合于航空航天、汽車和國防應(yīng)用。

△葉輪的橫截面顯示了研究人員用來測(cè)試其數(shù)字孿生體的三個(gè)構(gòu)建部分——底座、中間和鰭。圖片來自《Materials & Design》

數(shù)字孿生方法

在LPBF過程中，激光器熔化、冷卻、凝固和重熔粉末的過程中出現(xiàn)的熱現(xiàn)象，往往會(huì)導(dǎo)致裂縫的形成。在微觀尺度上，粉末的熔化產(chǎn)生了一個(gè)熔融材料的尾流，稱為熔池，其中的溫度分布、流動(dòng)和飛濺影響了零件的微觀結(jié)構(gòu)、孔隙率和裂紋。

在宏觀尺度上，激光的快速掃描作用和材料在高溫下的連續(xù)熔化導(dǎo)致加熱和冷卻循環(huán)，這可能導(dǎo)致殘余應(yīng)力和零件變形。

為了解決這個(gè)問題，最新的研究旨在開發(fā)和應(yīng)用一種數(shù)據(jù)和物理學(xué)綜合戰(zhàn)略，用于在線監(jiān)測(cè)和檢測(cè)LPBF部件的缺陷形成。為此，研究小組將原位熔池溫度測(cè)量與熱模擬模型相結(jié)合，快速預(yù)測(cè)零件中的溫度分布。

據(jù)研究人員稱，他們的方法創(chuàng)新之處在于模型提供的溫度分布預(yù)測(cè)，該模型通過原位熔池溫度測(cè)量逐層更新。因此，科學(xué)家們稱他們的方法為 "數(shù)字孿生"方法，以檢測(cè)裂紋的形成。

數(shù)字孿生策略能夠?yàn)榧m正零件的異常情況提供反饋，從而減少失敗制造造成的浪費(fèi)。研究人員將他們的策略作為純數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的過程監(jiān)控技術(shù)的替代方案，以克服這些過程的缺點(diǎn)，即檢測(cè)的延遲、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型對(duì)零件形狀的通用性差，以及獲取數(shù)據(jù)的費(fèi)用和資源密集性。

此外，由于數(shù)字孿生體同時(shí)包含了零件形狀對(duì)熱歷史的宏觀影響和激光與材料相互作用的微觀影響（以熔池溫度的形式），它可以囊括不同加工參數(shù)的影響，如掃描模式、艙口間距、激光功率和速度。

△安裝在EOSM290 LPBF系統(tǒng)上的軸上傳感裝置。圖片來源：《Materials & Design》。

測(cè)試數(shù)字孿生

為了測(cè)試他們的方法，研究團(tuán)隊(duì)使用EOS M290 LPBF系統(tǒng)3D打印了四個(gè)不銹鋼葉輪形狀的零件，這些零件有不同類型的缺陷，包括工藝漂移、鏡頭分層和網(wǎng)絡(luò)入侵。為了制造這些缺陷，研究人員改變了加工參數(shù)，促使機(jī)器發(fā)生相關(guān)故障，并故意篡改工藝，在零件內(nèi)部制造缺陷。

研究團(tuán)隊(duì)選擇打印葉輪零件來展示他們的數(shù)字孿生體，因?yàn)樗�沿建造方向可分為三個(gè)不同的區(qū)域——底部、中部和鰭部。每一個(gè)部分都包括復(fù)雜的特征，這對(duì)打印來說是一個(gè)挑戰(zhàn)，例如水滴形的內(nèi)部冷卻通道，這導(dǎo)致各層之間的冷卻時(shí)間不同，從而產(chǎn)生復(fù)雜的熱歷史。

在建造過程中，使用集成在激光路徑中的三個(gè)同軸光電探測(cè)器陣列對(duì)該過程進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。從傳感器陣列獲得的信號(hào)被處理以創(chuàng)建兩種類型的測(cè)量，即熱能普朗克（TEP）和熱能密度（TED）。TEP特征與熔池溫度相關(guān)，而TED則捕捉到寬頻室輻射。

這些特征隨后被納入圖論模型，以便在整個(gè)過程中持續(xù)更新熔池的微尺度活動(dòng)。

△使用帶通濾波的光電探測(cè)器的發(fā)射來測(cè)量熔池溫度。圖片來自《Materials & Design》。

在LPBF過程中，數(shù)字孿生能夠檢測(cè)到3D打印葉輪部件中所有的三種缺陷類型。研究人員表示，與單獨(dú)使用傳感器數(shù)據(jù)相比，這種方法能夠?qū)θ毕莸男纬蛇M(jìn)行精確和可解釋的檢測(cè)。為此，數(shù)字孿生方法克服了將傳感器標(biāo)簽轉(zhuǎn)移到一個(gè)單獨(dú)的數(shù)據(jù)分析算法的需要，因此防止了檢測(cè)缺陷的延遲。

展望未來，研究團(tuán)隊(duì)將尋求繼續(xù)擴(kuò)大其數(shù)字孿生的能力，以檢測(cè)其他類型的缺陷，如失真。他們還將用不同的加工參數(shù)、掃描策略和零件形狀測(cè)試該方法。

關(guān)于這項(xiàng)研究的更多信息可以在《Materials & Design》雜志上題為 "Digitally twinned additive manufacturing: Detecting flaws inlaser powder bed fusion by combining thermal simulations with in-situ meltpoolsensor data"的論文中找到。該研究由R. Yavari, A. Riensche, E.Tekerek, L. Jacquemetton, H. Halliday, M. Vandever, A. Tenequer, V. Perumal, A.Kontsos, Z. Smoqi, K. Cole, and P. Rao共同撰寫。

△應(yīng)用于實(shí)際葉輪形狀部件的數(shù)字孿生的概念。圖片來自《Materials & Design》。

相關(guān)論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S026412752100722X