2023年首篇Science：實(shí)時(shí)檢測(cè)3D打印缺陷，預(yù)測(cè)率幾近100%

來源： 江蘇激光產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟

激光熔化技術(shù)是通過高能激光熔化粉末來制造金屬部件，但該工藝經(jīng)常會(huì)在部件中形成氣孔而造成部件的性能受到影響。Ren等人利用X射線來追蹤這些氣孔的形成，同時(shí)利用熱影像系統(tǒng)來進(jìn)行觀察。這一裝置使得研究人員可以發(fā)展高精度的手段，借助機(jī)器學(xué)習(xí)和熱影像等手段來探測(cè)氣孔的形成。借助這一追蹤氣孔的手段，將會(huì)有助于在制造時(shí)避免高氣孔率的形成。因?yàn)楦叩臍饪茁蕰?huì)造成部件的失效。


圖１　LPBF過程中實(shí)時(shí)探測(cè)匙孔氣孔

成果摘要

氣孔在當(dāng)前是阻礙激光為基礎(chǔ)的3D打印技術(shù)快速發(fā)展的一個(gè)主要的障礙。常見的氣孔是在不穩(wěn)定的氣孔凹陷區(qū)（匙孔）由于過量的激光能量輸入所造成的。借助同步輻射高速X射線影像和熱成像技術(shù)，同時(shí)耦合多物理場(chǎng)模擬，研究人員發(fā)現(xiàn)在激光SLM　Ti-6Al-4V　合金時(shí)存在兩種類型的匙孔振蕩。通過及其學(xué)習(xí)對(duì)這一理解進(jìn)行放大，研究人員發(fā)展了一種策略來探測(cè)隨機(jī)出現(xiàn)的匙孔氣孔的生成，借助的是亞毫秒時(shí)間分辨率的技術(shù)手段和幾近完美的預(yù)測(cè)速率。這一高準(zhǔn)確率的手段促進(jìn)在操作X射線影像時(shí)可以允許我們來用簡單實(shí)用的辦法來應(yīng)用于商業(yè)系統(tǒng)中。



圖２　Ti-6Al-4V合金中的固有的和微擾動(dòng)的匙孔振蕩

經(jīng)過幾十年的持續(xù)研究和發(fā)展，激光粉末床熔化（LPBF或SLM）作為一種先進(jìn)的且方便的快速原型制造技術(shù)，大大的縮短了從設(shè)計(jì)到制造的過程。盡管在工業(yè)中的好多場(chǎng)合都已經(jīng)在采用LPBF這一技術(shù)，但仍然在很多地方，尤其是對(duì)質(zhì)量控制比較重要的場(chǎng)合，畢竟LPBF是整個(gè)生產(chǎn)線中重要的一環(huán)。作為最基本的LPBF打印技術(shù)，LPBF技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀和精細(xì)特征的制造。然而，在LPBF技術(shù)作為制造技術(shù)得到應(yīng)用之前，仍然存在較多的技術(shù)障礙需要區(qū)克服。在一個(gè)典型的LPBF工藝過程中，高功率的激光用來局部熔化粉末，熔化－凝固后固化形成３D部件。在打印過程中極端的熱狀態(tài)觸發(fā)瞬態(tài)現(xiàn)象和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)。他們之間的相互作用經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)缺陷的產(chǎn)生，如氣孔便是其中之一。一種常見的氣孔是蒸汽凹陷區(qū)的瞬時(shí)潰散形成的。這一氣孔又叫匙孔氣孔。



圖３　數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤標(biāo)記對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果的影像

在激光能量的輸入存在額外多的情況下（如高功率和慢的掃描速率），金屬蒸汽就會(huì)施加一個(gè)反沖壓力，從而推向熔池金屬表面的底部，形成一條窄且深的匙孔，這一匙孔會(huì)放大激光的反射和吸收。盡管這會(huì)增加整個(gè)金屬對(duì)激光的吸收，以及有利于制造過程提高能量利用效率和提高制造速率，匙孔中的這一非均勻的激光吸收會(huì)產(chǎn)生局部的熱效應(yīng)和導(dǎo)致氣壓、毛細(xì)壓力、馬格拉力和氣體動(dòng)力學(xué)之間的不平衡。在不穩(wěn)定匙孔的狀態(tài)下，氣泡掐斷了匙孔的尖端，并且有時(shí)候會(huì)在先凝固的前沿形成氣孔缺陷。對(duì)這一特定材料的LPBF，在功率－掃描速度（Ｐ－Ｖ）工藝圖中的不穩(wěn)定氣孔的區(qū)域可以用小的不確定性來定義。設(shè)定初始的激光參數(shù)在不穩(wěn)定匙孔區(qū)域之外，可以幫助減輕匙孔氣孔的形成。然而，在LPBF中各個(gè)參數(shù)的放大效應(yīng)仍然會(huì)造成激光熔化模式的偏移，并且造成易生成匙孔氣孔狀態(tài)的發(fā)生，如激光光斑尺寸的偏移、功率、掃描速度的變化以及掃描策略變化造成的局部過熱等。

氣孔就有可能在部件中存在，甚至在一開始設(shè)定好了打印某一特定材料無缺陷時(shí)也會(huì)產(chǎn)生缺陷。

在LPBF實(shí)時(shí)探測(cè)匙孔的生成時(shí)，不僅對(duì)部件制造完成后的質(zhì)量評(píng)定和審查是至關(guān)重要的，同時(shí)也是在制造過程中局部變化預(yù)測(cè)時(shí)必須要發(fā)展的閉環(huán)系統(tǒng)。

光學(xué)和聲學(xué)探測(cè)器是較常見的用于過程監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析處理的，已經(jīng)用于氣孔相關(guān)的工藝信號(hào)處理。上述努力盡管已經(jīng)取得了一定的成功，尤其是用機(jī)器學(xué)習(xí)這一手段方面，這一手段通常條件下區(qū)分不同的氣孔傾向的狀態(tài)，探測(cè)局部區(qū)域的匙孔的生成，但仍然存在面臨著較大的挑戰(zhàn)。這一問題的存在是因?yàn)槌卓讱饪椎纳�成所具有的隨機(jī)的特性所決定的，其生成區(qū)別于工藝參數(shù)的漂移。在一個(gè)不穩(wěn)定的匙孔狀態(tài)下的激光掃描，其確切的氣孔生成的位置是隨機(jī)的，并且氣泡會(huì)變成氣孔缺陷，并且會(huì)被匙孔所重新捕獲和消失，卻不易探測(cè)。

在這里，來自美國弗吉尼亞大學(xué)Tao Sun教授等人探測(cè)了LPBF制造Ti-6Al-4V合金時(shí)不穩(wěn)定匙孔時(shí)，利用同步高速同步輻射X射線和熱成像技術(shù)，發(fā)現(xiàn)了兩類匙孔氣孔，并且發(fā)展了一種策略來探測(cè)匙孔的生成，這一辦法是將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、多物理場(chǎng)模擬和機(jī)器學(xué)習(xí)結(jié)合在一起來實(shí)現(xiàn)的。研究人員利用匙孔區(qū)域探測(cè)到的熱信號(hào)來預(yù)測(cè)氣孔的生成。LPBF工藝過程中的X射線圖像提供豐富的數(shù)據(jù)校正和證實(shí)理論模型的正確性，并且訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)。研究人員獲得了幾近完美的探測(cè)精度，探測(cè)級(jí)別的時(shí)間在亞毫秒。


相關(guān)成果以“Machine learning–aided real-time detection of keyhole pore generation in laser powder bed fusion”為題發(fā)表在最新一期《Science》上。





△Ti6Al4V隨機(jī)孔隙的生成過程

文章來源：Machine learning–aided real-time detection of keyhole pore generation in laser powder bed fusion，SCIENCE，5 Jan 2023，Vol 379, Issue 6627，pp. 89-94，DOI: 10.1126/science.add4667