約翰霍普金斯大學(xué)和海軍合作開發(fā)3D 打印高精度監(jiān)測技術(shù)

在 3D 打印領(lǐng)域，原位監(jiān)測已成為確保實(shí)時無缺陷生產(chǎn)的重要工具。與人類操作員可以根據(jù)需要隨時調(diào)整工藝流程的傳統(tǒng)方法不同，增材制造依賴于預(yù)設(shè)參數(shù)，通常會導(dǎo)致在完成之前無法檢測到的錯誤。

約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室 (APL) 的制造工程師邁克爾·普雷斯利 (Michael Presley) 說：“在增材制造中，我們目前擁有開環(huán)系統(tǒng)，我們可以在其中設(shè)置參數(shù)，然后機(jī)器開始自行制造。機(jī)器可以鋪設(shè)數(shù)英里的焊縫，而無需知道是否出現(xiàn)問題。通過利用現(xiàn)場監(jiān)測技術(shù)，我們可以更早地發(fā)現(xiàn)這些錯誤（如果出現(xiàn)），并開發(fā)更高效、更準(zhǔn)確的流程�！�

這些監(jiān)測技術(shù)涵蓋了一系列傳感模式：從攝像機(jī)到高溫計和熱電偶（測量溫度的設(shè)備）的系統(tǒng)；光譜儀（測量光的波長以識別化學(xué)品和材料），可調(diào)諧紅外、可見光、紫外和 X 射線光譜；位移傳感器；輪廓儀（測量表面光潔度的粗糙度）；超聲波換能器（產(chǎn)生或感應(yīng)能量，通常是振動）；甚至麥克風(fēng)——僅舉幾例。這種廣泛的范圍源于增材制造工藝的復(fù)雜性。工程師需要系統(tǒng)能夠同時測量以每秒數(shù)米的速度穿過構(gòu)建板的熔融金屬滴的溫度和表面行為、留下的散裝材料的質(zhì)量以及所有激光器、泵、執(zhí)行器和反饋的系統(tǒng)運(yùn)行狀況機(jī)器使用的控件。

認(rèn)識到增強(qiáng)制造能力的緊迫性，特別是在海軍等國防部門，正在開展合作以推進(jìn)增材制造監(jiān)測技術(shù)。美國海軍投資 1320 億美元購買哥倫比亞級潛艇凸顯了對高效生產(chǎn)方法的需求。

△APL 制造工廠之一的金屬打印機(jī)。（圖片來源：約翰霍普金斯大學(xué) APL/Ed Whitman）

預(yù)測軍事需求

將各種監(jiān)測技術(shù)集成是一項巨大的系統(tǒng)工程挑戰(zhàn)，而且對于海軍制造基地來說這一挑戰(zhàn)的重要性與日俱增。美國駐歐洲空軍司令詹姆斯·赫克上將在倫敦的一個小組上發(fā)表講話時表示，美國的武器和彈藥庫存正變得岌岌可危。

為了進(jìn)一步支持國防部的威懾計劃，海軍計劃投資約 1320 億美元購買 12 艘哥倫比亞級潛艇——海軍歷史上最大、最復(fù)雜的潛艇。但政府問責(zé)辦公室最近的一份報告指出，按時交付這些船只可能會遇到困難。

為了應(yīng)對這些制造挑戰(zhàn)，海軍正在優(yōu)先開發(fā)和部署增材制造系統(tǒng)（通常稱為 3D 打印機(jī)），以補(bǔ)充傳統(tǒng)鑄造方法并加速潛艇生產(chǎn)。為了支持這項工作，APL最近主持了一個工作組，討論現(xiàn)場監(jiān)測的現(xiàn)狀，并概述了其在海軍行動中實(shí)施的路線圖。APL、NAVSEA 和各個合作伙伴組織之間的合作凸顯了推動增材制造向前發(fā)展的集體努力。

隨著海軍應(yīng)對現(xiàn)代戰(zhàn)爭的復(fù)雜性，現(xiàn)場監(jiān)測的集成有望提高制造過程的效率和可靠性，確保關(guān)鍵資產(chǎn)的及時交付。

APL 海上遠(yuǎn)征后勤項目經(jīng)理詹姆斯·博格哈特 (James Borghardt) 表示：“合作將成為解決當(dāng)前艦隊和部隊的后勤和保障挑戰(zhàn)以及未來艦隊及其武器系統(tǒng)的制造挑戰(zhàn)的關(guān)鍵。我們期待與海軍、國防部和合作伙伴組織繼續(xù)合作，推動該領(lǐng)域向前發(fā)展�！�

該活動由 APL 兵力投送部門、防空和導(dǎo)彈防御部門以及研究和探索發(fā)展部門的團(tuán)隊成員在海軍海上系統(tǒng)司令部 (NAVSEA 05T) 和戰(zhàn)略潛艇項目執(zhí)行辦公室的支持下管理。32個參與組織包括賓夕法尼亞州立大學(xué)應(yīng)用研究實(shí)驗(yàn)室、弗吉尼亞聯(lián)邦先進(jìn)制造中心、美國制造、陸軍研究實(shí)驗(yàn)室、海軍航空系統(tǒng)司令部、海軍研究辦公室、橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室、國防后勤局、核管理委員會和一系列海軍水面作戰(zhàn)中心。

普雷斯利說：“我們在海軍中研究開發(fā)增材制造監(jiān)測技術(shù)的人數(shù)從幾十人增加到現(xiàn)在的數(shù)百人，我們正在努力讓每個人都了解情況并盡快采取行動，因?yàn)檫@些是真實(shí)的近期需求�，F(xiàn)場監(jiān)測將在這里發(fā)揮至關(guān)重要的作用，因?yàn)樗�可以加快和改進(jìn)增材制造零件的檢查�！�

創(chuàng)建協(xié)作機(jī)構(gòu)

由于增材制造本身相對較新，因此所部署的增材制造工具、數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)也是新的。七月份的工作組會議旨在將這一領(lǐng)域最聰明、最敏銳的頭腦聚集到一個房間，并提出切實(shí)可行的后續(xù)步驟，以推動該領(lǐng)域以及軍方對此類能力的信任和彈性向前發(fā)展。

普雷斯利繼續(xù)說道：“目前各個組織的工作都是個性化的，因此我們希望將每個人聚集在一起，告訴彼此我們正在學(xué)習(xí)什么、正在做什么以及可以改進(jìn)什么�！�

會議的內(nèi)容很快就超出了大多數(shù)人的預(yù)期。普雷斯利說：“我們原以為我們應(yīng)該討論我們需要什么技術(shù)，但我們發(fā)現(xiàn)我們實(shí)際上擁有很多我們需要的技術(shù)�，F(xiàn)在，我們需要開始更多地作為一個社區(qū)進(jìn)行合作，比較數(shù)據(jù)并找出未來對我們最有用的東西�！�

一些最常見的發(fā)現(xiàn)是需要制定標(biāo)準(zhǔn)、高效安全地共享傳感器數(shù)據(jù)、通用校準(zhǔn)樣本以及提高對該領(lǐng)域和行業(yè)的認(rèn)識和溝通。

APL 分析了討論、筆記和聲明（其中包括來自為期兩天的活動的 59 名參與者的近 2,000 張便利貼），以制定并向海軍提交一份報告，該報告將用于幫助該部門確定明年的資助優(yōu)先事項。報告分析明確了社區(qū)對原位傳感器性能和數(shù)據(jù)生成的標(biāo)準(zhǔn)化和分析的明確關(guān)注點(diǎn)，并提出了建議的行動方案，包括標(biāo)準(zhǔn)化校準(zhǔn)協(xié)議、定義傳感器特定和材料相關(guān)的接受和拒絕標(biāo)準(zhǔn)以及優(yōu)先考慮傳感器數(shù)據(jù)捕獲。

博格哈特說：“為了充分發(fā)揮增材制造的潛在價值，根據(jù)工作組的調(diào)查結(jié)果，我們正在與海軍合作，重點(diǎn)通過現(xiàn)場監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析來鑒定或認(rèn)證先進(jìn)制造工藝，而不是傳統(tǒng)的單個零件鑒定過程。工業(yè)基礎(chǔ)民主化和吸引小企業(yè)參與的潛力既具有挑戰(zhàn)性，又非常令人興奮�！�