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美国国家实验室开发新型组合检测方式改进增材制造
2018-10-15

    [据美国阿贡国家实验室网站2018年9月21日报道]    阿贡国家实验室的研究人员采用新型组合检测手段,首次将红外热像仪与同步加速器集成,使研究人员可以通过实时监测工件表面热特征来深入研究增材制造过程细节,从而实现增材制造高质量稳定制造,缩小增材制造基础研究与应用研究间的差距。

    目前增材制造行业所面临的挑战之一是稳定地制造高质量零件,在实际生产中的局限性在于,无法及时发现并阻止制造过程中产生的缺陷。美国能源部阿贡国家实验室的研究人员通过在先进光子源设施(APS)上安装红外热像仪,实时协同测量增材制造加工表面热特征和内部结构特征,有望改善这一问题。

    APS是由美国能源部建设的一个大型同步加速器,能够将电子加速至接近光速,引起辐射形成高能X射线帮助观察增材制造内部细节。红外热像仪则能够帮助实时测量工件表面的热特征。两者的组合应用在基础光科学与增材制造技术领域间建立了初步联系,使研究人员在增材制造过程中每秒钟可获取百万帧X射线图像以及十万帧热成像图像,而常规实验室技术每秒仅能捕捉100帧X射线图像,且不进行热成像。这些图像连续地展示出成形过程中出现的熔池不稳定、粉末喷溅和不当扫描方式引起的关键缺陷。

    通过APS高能X光成像与高速热成像的互补使用,可用于提高增材制造零件的一致性和制造效率。红外成像和X射线成像作为相互补充,通过X射线成像可以观测工件内部的微观结构,使用红外摄像机。这些重要的监测参数数据可反馈至增材制造模型,以提高加工精度和速度。此外这种组合检测方式还可以观测粉末汽化形成羽烟的过程,从而为增材制造设备与工艺的改进提供支持。高温羽烟在激光照射粉末过程中产生,并在制造过程中影响激光器的性能。由于羽烟处于汽化状态,使用X射线无法有效观测,需要使用红外热像仪进行观测。

    阿贡国家实验室是首个将金属增材制造设备与先进光子源设施相集成的美国国家实验室,也是唯一能在1纳秒内观察金属粉末在“熔池”区域内熔化的国家实验室。研究人员表示,虽然不能将每台增材制造设备都与APS设施进行集成检测制造过程,但如果能够通过研究将APS设施中检测到的缺陷特征与红外热像仪中相应的红外特征建立联系,仅将红外热像仪与增材制造设备集成,并根据这种联系,就可发现制造过程中的缺陷,在缺陷产生早期即可缓解或解决问题。(北方科技信息研究所  徐可)

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