增材制造具有生產(chǎn)形狀復(fù)雜且浪費(fèi)最少的零件的能力，因此有可能徹底改變金屬零件的生產(chǎn)。但是，這種潛力目前受到一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)的限制：控制過(guò)程中的缺陷可能會(huì)損害3D打印材料的性能。

《增材制造》雜志上的一篇新論文指出了一種可能的突破性解決方案：在生產(chǎn)時(shí)使用溫度數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)地下缺陷的形成，以便可以在當(dāng)時(shí)和在那里進(jìn)行處理。美國(guó)能源部(DOE)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Argonne National Laboratory)的一組研究人員與現(xiàn)在德克薩斯州農(nóng)工大學(xué)的一位同事一起發(fā)現(xiàn)了這種可能性。

“最終，您將能夠在源頭打印出一些東西并收集溫度數(shù)據(jù)，并且可以查看是否存在某些異常，然后進(jìn)行修復(fù)或重新開(kāi)始，”阿貢大學(xué)界面力學(xué)與材料小組的負(fù)責(zé)人Aaron Greco說(shuō)。應(yīng)用材料部(AMD)和研究作者。“那是大目標(biāo)。”

在他們的研究中，科學(xué)家使用了Argonne先進(jìn)的光子源(APS)的光束線32-ID-B上的極高亮度高功率X射線，該部門(mén)是美國(guó)科學(xué)部能源辦公室的用戶設(shè)施。他們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，使他們可以從標(biāo)準(zhǔn)紅外攝像機(jī)捕獲溫度數(shù)據(jù)，從上方觀看印刷過(guò)程，同時(shí)他們使用X射線束進(jìn)行側(cè)面觀察，以確定是否在表面下方形成了孔隙。

孔隙率是指可能在激光打印過(guò)程中出現(xiàn)的微小的，經(jīng)常是微觀的“空洞” ，使組件易于破裂和其他故障。

根據(jù)該論文的第一作者和應(yīng)用材料部門(mén)的計(jì)算材料科學(xué)家Noah Paulson的說(shuō)法，這項(xiàng)工作表明，實(shí)際上表面溫度與下面的孔隙形成之間存在相關(guān)性。

“同時(shí)具有頂視圖和側(cè)視圖是非常強(qiáng)大的。通過(guò)側(cè)視圖，這是APS裝置真正獨(dú)特的功能，我們可以看到，在某些處理?xiàng)l件下，基于不同的時(shí)間和溫度組合，孔隙率形式如下：激光越過(guò)。”保爾森說(shuō)。

例如，論文觀察到峰值溫度較低并隨后持續(xù)下降的熱歷史可能與低孔隙率有關(guān)。相比之下，從高開(kāi)始，先下降然后到后來(lái)增加的熱歷史更可能表明孔隙率大。

科學(xué)家使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法從復(fù)雜的數(shù)據(jù)中弄清楚了，并根據(jù)熱歷史預(yù)測(cè)了孔隙的形成。鮑爾森表示，與使用數(shù)百萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的技術(shù)巨頭開(kāi)發(fā)的工具相比，這項(xiàng)工作需要花費(fèi)數(shù)百個(gè)努力。他說(shuō)：“這要求我們開(kāi)發(fā)一種定制方法，以充分利用有限的數(shù)據(jù)。”

雖然3-D打印機(jī)通常配備有紅外攝像頭，但是成本和復(fù)雜性使得無(wú)法為商用機(jī)器配備APS上存在的那種X射線技術(shù)，而APS是最強(qiáng)大的X射線光源之一在世界上。但是通過(guò)設(shè)計(jì)一種方法來(lái)觀察3D打印機(jī)中已經(jīng)存在的系統(tǒng)，就沒(méi)有必要了。

合著者Ben Gould解釋說(shuō)：“通過(guò)將APS的結(jié)果與使用紅外技術(shù)在實(shí)際打印機(jī)中已經(jīng)可以得到的較不詳細(xì)的結(jié)果相關(guān)聯(lián)，我們可以對(duì)打印質(zhì)量進(jìn)行宣稱，而不必實(shí)際看到表面之下。”是AMD的材料科學(xué)家。

在印刷時(shí)識(shí)別和糾正缺陷的能力將對(duì)整個(gè)增材制造行業(yè)產(chǎn)生重要影響，因?yàn)樗鼘⑾龑?duì)每個(gè)批量生產(chǎn)的組件進(jìn)行昂貴且耗時(shí)的檢查的需求。在傳統(tǒng)制造中，過(guò)程的一致性使得無(wú)需掃描從生產(chǎn)線出來(lái)的每個(gè)金屬組件。

Greco說(shuō)：“目前，存在3D打印錯(cuò)誤相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)，這意味著存在成本。這種成本抑制了這項(xiàng)技術(shù)的廣泛采用。” “要充分發(fā)揮其潛力，我們需要降低風(fēng)險(xiǎn)以降低成本。”

認(rèn)識(shí)到增材制造相對(duì)于傳統(tǒng)制造的主要優(yōu)勢(shì)之一，這一工作變得更加緊迫。“我們從最近的大流行反應(yīng)中看到，能夠快速使生產(chǎn)適應(yīng)新的設(shè)計(jì)和需求將具有多大的價(jià)值。3-D技術(shù)非常適應(yīng)這些變化，” Greco補(bǔ)充道。

古爾德說(shuō)，展望未來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)希望他所謂的“非常非常好的第一步”將使它能夠繼續(xù)改進(jìn)和擴(kuò)展模型。“對(duì)于機(jī)器學(xué)習(xí)而言，要建立準(zhǔn)確的模型，您需要成千上萬(wàn)的數(shù)據(jù)點(diǎn)。對(duì)于這個(gè)實(shí)驗(yàn)，我們有200個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。隨著我們輸入更多的數(shù)據(jù)，模型將變得越來(lái)越精確。但是我們的發(fā)現(xiàn)非常有希望”。