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

在 3D 打印領(lǐng)域，原位監(jiān)測(cè)已成為確保實(shí)時(shí)無(wú)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(shí)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(huì)導(dǎo)致在完成之前無(wú)法檢測(cè)到的錯(cuò)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(shuō)：“在增材制造中，我們目前擁有開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，我們可以在其中設(shè)置參數(shù)，然后機(jī)器開(kāi)始自行制造。機(jī)器可以鋪設(shè)數(shù)英里的焊縫，而無(wú)需知道是否出現(xiàn)問(wèn)題。通過(guò)利用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，我們可以更早地發(fā)現(xiàn)這些錯(cuò)誤（如果出現(xiàn)），并開(kāi)發(fā)更高效、更準(zhǔn)確的流程�！�

這些監(jiān)測(cè)技術(shù)涵蓋了一系列傳感模式：從攝像機(jī)到高溫計(jì)和熱電偶（測(cè)量溫度的設(shè)備）的系統(tǒng)；光譜儀（測(cè)量光的波長(zhǎng)以識(shí)別化學(xué)品和材料），可調(diào)諧紅外、可見(jiàn)光、紫外和 X 射線光譜；位移傳感器；輪廓儀（測(cè)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(dòng)）；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(shí)測(cè)量以每秒數(shù)米的速度穿過(guò)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(shí)到增強(qiáng)制造能力的緊迫性，特別是在海軍等國(guó)防部門，正在開(kāi)展合作以推進(jìn)增材制造監(jiān)測(cè)技術(shù)。美國(guó)海軍投資 1320 億美元購(gòu)買哥倫比亞級(jí)潛艇凸顯了對(duì)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(lái)源：約翰霍普金斯大學(xué) APL/Ed Whitman）

預(yù)測(cè)軍事需求

將各種監(jiān)測(cè)技術(shù)集成是一項(xiàng)巨大的系統(tǒng)工程挑戰(zhàn)，而且對(duì)于海軍制造基地來(lái)說(shuō)這一挑戰(zhàn)的重要性與日俱增。美國(guó)駐歐洲空軍司令詹姆斯·赫克上將在倫敦的一個(gè)小組上發(fā)表講話時(shí)表示，美國(guó)的武器和彈藥庫(kù)存正變得岌岌可危。

為了進(jìn)一步支持國(guó)防部的威懾計(jì)劃，海軍計(jì)劃投資約 1320 億美元購(gòu)買 12 艘哥倫比亞級(jí)潛艇——海軍歷史上最大、最復(fù)雜的潛艇。但政府問(wèn)責(zé)辦公室最近的一份報(bào)告指出，按時(shí)交付這些船只可能會(huì)遇到困難。

為了應(yīng)對(duì)這些制造挑戰(zhàn)，海軍正在優(yōu)先開(kāi)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(xiàng)工作，APL最近主持了一個(gè)工作組，討論現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的現(xiàn)狀，并概述了其在海軍行動(dòng)中實(shí)施的路線圖。APL、NAVSEA 和各個(gè)合作伙伴組織之間的合作凸顯了推動(dòng)增材制造向前發(fā)展的集體努力。

隨著海軍應(yīng)對(duì)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的復(fù)雜性，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的集成有望提高制造過(guò)程的效率和可靠性，確保關(guān)鍵資產(chǎn)的及時(shí)交付。

APL 海上遠(yuǎn)征后勤項(xiàng)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(duì)和部隊(duì)的后勤和保障挑戰(zhàn)以及未來(lái)艦隊(duì)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(guó)防部和合作伙伴組織繼續(xù)合作，推動(dòng)該領(lǐng)域向前發(fā)展�！�

該活動(dòng)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(duì)成員在海軍海上系統(tǒng)司令部 (NAVSEA 05T) 和戰(zhàn)略潛艇項(xiàng)目執(zhí)行辦公室的支持下管理。32個(gè)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(guó)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(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、國(guó)防后勤局、核管理委員會(huì)和一系列海軍水面作戰(zhàn)中心。

普雷斯利說(shuō)：“我們?cè)诤＼娭醒芯块_(kāi)發(fā)增材制造監(jiān)測(cè)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(gè)人都了解情況并盡快采取行動(dòng)，因?yàn)檫@些是真實(shí)的近期需求�，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)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(duì)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(huì)議旨在將這一領(lǐng)域最聰明、最敏銳的頭腦聚集到一個(gè)房間，并提出切實(shí)可行的后續(xù)步驟，以推動(dòng)該領(lǐng)域以及軍方對(duì)此類能力的信任和彈性向前發(fā)展。

普雷斯利繼續(xù)說(shuō)道：“目前各個(gè)組織的工作都是個(gè)性化的，因此我們希望將每個(gè)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(huì)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(shuō)：“我們?cè)�以為我們�?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(kāi)始更多地作為一個(gè)社區(qū)進(jìn)行合作，比較數(shù)據(jù)并找出未來(lái)對(duì)我們最有用的東西�！�

一些最常見(jiàn)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(duì)該領(lǐng)域和行業(yè)的認(rèn)識(shí)和溝通。

APL 分析了討論、筆記和聲明（其中包括來(lái)自為期兩天的活動(dòng)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(bào)告，該報(bào)告將用于幫助該部門確定明年的資助優(yōu)先事項(xiàng)。報(bào)告分析明確了社區(qū)對(duì)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(dòng)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(shuō)：“為了充分發(fā)揮增材制造的潛在價(jià)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析來(lái)鑒定或認(rèn)證先進(jìn)制造工藝，而不是傳統(tǒng)的單個(gè)零件鑒定過(guò)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。”