布里斯托大學(xué)開發(fā)用于監(jiān)測3D打印部件質(zhì)量的激光傳感器技術(shù)

2024年4月26日，南極熊獲悉，英國布里斯托大學(xué)（University of Bristol）宣稱，研究人員已經(jīng)推導(dǎo)出一個公式，通過激光傳感器可以獲取有關(guān)組件形狀和材料微觀結(jié)構(gòu)的詳細(xì)信息，這有助于設(shè)計和制造過程的優(yōu)化。目前還沒有商業(yè)上可行的傳感技術(shù)和相關(guān)成像算法來評估此類組件的質(zhì)量。如果金屬3D打印部件能夠達(dá)到工業(yè)安全和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，那么將為制造業(yè)帶來巨大的商業(yè)優(yōu)勢。

△該研究發(fā)表在《Waves in Random and Complex Media》雜志上，題目為“局部各向異性非均質(zhì)介質(zhì)中超聲波剪切波傳播建模的概率方法”（傳送門）

布大工程數(shù)學(xué)與技術(shù)學(xué)院院長Anthony Mulholland教授表示，這項技術(shù)的關(guān)鍵突破在于使用了超聲波陣列傳感器，這種傳感器與醫(yī)學(xué)成像中使用的傳感器基本相同，例如，用于生成子宮內(nèi)嬰兒的圖像。不過，這種基于激光的新型傳感器無需與材料接觸。

△彈性剪切波在特定平面上的運(yùn)動以及相關(guān)的位移矢量和減速面方向示意圖

Mulholland教授表示：“使用基于激光的超聲波陣列是一種潛在的傳感方法，我們正在使用數(shù)學(xué)建模來為這種設(shè)備的設(shè)計提供參考，以便在現(xiàn)場部署?！?br />
研究小組建立了一個數(shù)學(xué)模型，其中包含了超聲波在分層（3D打?。┙饘俨牧现袀鞑サ奈锢韺W(xué)原理，并考慮到了每個制造部件之間的可變性。

△當(dāng)金屬在焊縫中冷卻時，晶體結(jié)構(gòu)會伸長并與熱梯度方向?qū)R。利用電子反向散射衍射 (EBSD) 進(jìn)行破壞性測量的材料特性示意圖

數(shù)學(xué)公式由與超聲波激光器相關(guān)的設(shè)計參數(shù)和特定材料的性質(zhì)組成。輸出是傳感器產(chǎn)生多少信息的量度，以便對部件的機(jī)械完整性進(jìn)行評估。然后可以改變輸入?yún)?shù)，以最大限度地提高信息含量。

Mulholland教授解釋說：“然后，我們可以與我們的行業(yè)合作伙伴合作，開發(fā)出一種在制造階段評估這些安全關(guān)鍵部件機(jī)械完整性的方法。這可能會帶來全新的設(shè)計（充分利用3D打印技術(shù)）、更快、更具成本效益的生產(chǎn)工藝，并為英國制造業(yè)帶來顯著的商業(yè)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

現(xiàn)在，研究小組計劃利用這些發(fā)現(xiàn)來幫助他們的實驗合作者設(shè)計和建造基于激光的超聲波陣列。這些傳感器將會被安裝在機(jī)械臂上，并在受控的增材制造環(huán)境中進(jìn)行現(xiàn)場部署和應(yīng)用。它們將最大限度地提高傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)中的信息含量，并創(chuàng)建定制的成像算法，以生成由行業(yè)合作伙伴提供的部件內(nèi)部的斷層圖像。然后將采用破壞性手段來評估所生成的斷層圖像的質(zhì)量。

Mulholland教授表示：“開放3D打印技術(shù)用于制造安全關(guān)鍵部件，例如航空航天工業(yè)中的部件，將為英國工業(yè)帶來巨大的商業(yè)優(yōu)勢?！比狈υu估這些部件機(jī)械完整性的方法是阻礙利用3D打印技術(shù)制造安全關(guān)鍵部件的發(fā)展的主要障礙?？偟膩碚f，該研究建立了一個數(shù)學(xué)模型，模擬了基于激光的新型傳感器的使用，這可以為解決這一問題提供方案，并且有助于加速傳感器的設(shè)計和部署。