新加坡南洋理工大學(xué)（NTU Singapore）的研究人員研發(fā)了一種快速且低成本的成像方法，用于評估3D打印金屬零件質(zhì)量。這種方法可以分析3D打印金屬零件的結(jié)構(gòu)以及材料質(zhì)量。

大多數(shù)3D打印金屬合金由無數(shù)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。通過繪制這些信息，科學(xué)家和工程師可以推斷出這種合金的性能，比如強度和韌性。這就像是觀察木紋，當(dāng)木紋在同一方向上連續(xù)時，強度和韌性最強。

這項由南洋理工大學(xué)創(chuàng)造的新技術(shù)可以使航空航天部門受益——能夠?qū)u輪、風(fēng)扇葉片和其他關(guān)鍵部件進行低成本的快速評估，這對維護和檢修行業(yè)有重大意義。

然而到目前為止，在3D打印金屬合金中分析“微觀結(jié)構(gòu)”一直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來實現(xiàn)的，掃描電子顯微鏡的成本在10萬到200萬新幣之間。

但是由南洋理工大學(xué)的Matteo Seita助理教授和他的團隊開發(fā)的新型合金成像方法只需幾分鐘即可提供質(zhì)量分析。他們使用了一個由光學(xué)相機、手電筒和筆記本電腦組成的系統(tǒng)，該系統(tǒng)運行該團隊開發(fā)的專有機器學(xué)習(xí)軟件，總成本約為2.5萬新幣。

這個方法首先需要用化學(xué)物質(zhì)處理金屬表面以揭示其微觀結(jié)構(gòu)，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(xué)圖像。然后，該軟件會分析不同金屬晶體表面反射的光產(chǎn)生的圖案，并推斷出它們的方向。整個過程大約需要15分鐘。該團隊的發(fā)現(xiàn)已發(fā)表在《npj計算材料學(xué)》（npj Computational Materials）上。

“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(xì)評估材料的微觀結(jié)構(gòu)，否則我們不可能分辨出其中的區(qū)別，”南洋理工大學(xué)機械與航空航天工程學(xué)院和材料科學(xué)與工程學(xué)院的助理教授Seita解釋道。“即使兩個3D打印的金屬零件可能是使用相同的技術(shù)生產(chǎn)的，并且具有相同的幾何結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)?！?/p>

新的成像方法改進了3D打印認(rèn)證和質(zhì)量評估。Seita助理教授認(rèn)為，他們創(chuàng)新的成像方法可能簡化3D打印生產(chǎn)的金屬合金零件的認(rèn)證和質(zhì)量評估。

3D打印金屬零件最常用的技術(shù)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(chǎn)品。

然而，微觀結(jié)構(gòu)以及由此產(chǎn)生的印刷金屬的質(zhì)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。這就是為什么由兩臺不同的機器或生產(chǎn)車間打印的相同設(shè)計可能會導(dǎo)致不同質(zhì)量的零件。

Seita助理教授和他的團隊開發(fā)的“智能軟件”沒有使用復(fù)雜的計算機程序來測量采集到的光信號中的晶體方向，而是使用一個中性網(wǎng)絡(luò)來模擬人腦如何形成聯(lián)想和處理思維。然后，該團隊使用機器學(xué)習(xí)為該軟件編程，為其提供數(shù)百張光學(xué)圖像。

他們的軟件最終學(xué)會如何根據(jù)光從金屬表面散射的不同，從圖像中預(yù)測金屬中晶體的方向。然后創(chuàng)建一個完整的“晶體取向圖”，該圖提供了有關(guān)晶體形狀、大小和原子晶格取向的全面信息。

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