南洋理工大學研發一種評估3D打印金屬零件質量的新型成像方法

大多數3D打印金屬合金是由無數微觀晶體組成，這些晶體在形狀、大小和原子晶格方向上都有不同之處?；诖?，最近新加坡南洋理工大學（NTU Singapore）機械與航空航天工程學院和材料科學與工程學院的Matteo Seita助理教授及其團隊研發了一種快速且低成本的成像方法，通過繪制3D打印金屬零件的晶體信息，推斷3D打印合金零件的強度和韌性等相關性能，進而評估3D打印金屬零件的結構和材料質量。如同觀察木紋一樣，當木紋在同一方向上連續時，強度和韌性最強。

南洋理工大學認為，由該校開發的這項新型合金成像方法對于航空航天領域，顯然非常受益。因為到目前為止，在3D打印金屬合金中分析“微觀結構”一直還是一個費時費力的過程，通常是使用掃描電子顯微鏡進行測量，且掃描電子顯微鏡的成本在10萬到200萬新元之間。而利用此次開發的新型合金成像方法，科學家或工程師使用一個由光學相機、手電筒和筆記本電腦組成的系統（總成本約為2.5萬新元），運行一個該團隊研發的專有機器學習軟件，只需幾分鐘即可提供質量分析，非常有益于航空器上渦輪、風扇葉片和其他關鍵部件進行低成本的快速評估，對維護和檢修行業具有非常重要的意義。

這一方法的具體操作是，首先需要用化學物質處理金屬表面以揭示其微觀結構；然后將樣品面向相機放置，用手電筒從不同方向照亮金屬，拍攝多幅光學圖像；最后，利用專用軟件分析不同金屬晶體表面反射的光產生的圖案，推斷出它們的方向。整個過程操作簡單、耗時短。該團隊的這項發現現已發表在《npj計算材料學》（npj Computational Materials）刊物上。助理教授Seita解釋說，“通過使用低成本且快速的成像方法，我們可以很容易地分辨出好的3D打印金屬零件和有缺陷的零件。目前，除非我們詳細評估材料的微觀結構，否則我們不可能分辨出其中的區別。即使兩個3D打印的金屬零件可能是使用相同的技術生產的，并且具有相同的幾何結構，但他們絕不相同。從理論上講，這類似于兩個原本相同的木制物件可能各自擁有不同的紋理結構。”

新的成像方法改進了3D打印認證和質量評估。Seita助理教授認為，他們創新的成像方法可能簡化3D打印生產的金屬合金零件的認證和質量評估。

3D打印金屬零件最常用的技術之一是使用高功率激光熔化金屬粉末，并將它們一層一層地熔合在一起，直到打印出完整的產品。

然而，微觀結構以及由此產生的印刷金屬的質量取決于許多因素，包括激光的速度或強度，在下一層熔化之前金屬冷卻的時間，甚至使用的金屬粉末的類型和品牌。這也是為什么由兩臺不同的機器或生產車間打印出的相同設計可能會導致不同質量的零件。

Seita助理教授和他的團隊開發的“智能軟件”沒有使用復雜的計算機程序測量采集到的光信號中的晶體方向，而是使用一個中性網絡模擬人腦如何形成聯想和處理思維。然后，該團隊使用機器學習為該軟件編程，為其提供數百張光學圖像。

他們的軟件最終學會如何根據光從金屬表面散射的不同，從圖像中預測金屬中晶體的方向，進而創建一個完整的“晶體取向圖”，該圖中包含了有關晶體形狀、大小和原子晶格取向的全面信息。

（摘自《中國航空報》 ）C1CDA93E-8266-4B89-99F5-81CE67C7DD45