通过听声监测增材制造过程中的缺陷

近期，洛桑联邦理工学院（EPFL）的研究人员采用一种开创性的缺陷检测方法，解决了围绕激光增材制造工艺的长期争论。激光增材制造是指使用粉末和激光对金属物体进行3D打印，但当前的发展受到了打印缺陷的阻碍。

虽然有热成像和机器学习算法等传统方法协助打印过程监测，但仍然有很大的局限性。这些方法要么忽略缺陷，要么误解缺陷，从而使精密制造难以实现，从而让激光增材制造技术始终难以在航空和汽车制造等行业进行重要部署。

但是，如果能根据打印机在无瑕疵打印和有瑕疵打印时发出的声音差异来实时检测呢？迄今为止，这种检测缺陷的方法被认为是不可靠的。然而，EPFL工程学院热机械冶金实验室的研究人员成功挑战了这一假设。

实验室负责人Roland Logé教授说：“关于声学监测在激光增材制造中的可行性和有效性，一直存在争论。我们的研究不仅证实了相关性，还强调了它相对于传统方法的优势。这项研究对工业领域具有重要意义，因为它为监测和改进激光粉末床融合（LPBF）制造的产品质量引入了一种突破性和具有成本效益的解决方案。”

首席研究员Milad Hamidi Nasab博士说：同步辐射X射线成像与声学记录的协同作用可实时洞察LPBF的全过程，便于发现可能危及产品完整性的缺陷。当下，追求效率、精度和减少浪费成为业界的共识，这些创新不仅能大幅节约成本，还能提高制成品的可靠性和安全性。

聆听3D打印缺陷的实验装置图示

LPBF生产是如何进行的？
LPBF是一种重塑金属制造的尖端方法。从本质上讲，它使用高强度激光熔化微小金属粉末，逐层制造出精细的三维金属结构。可以把LPBF想象成金属版的传统3D打印机，但它更加复杂。

LPBF使用的不是熔化的塑料而是一层细微金属粉末，大小从头发丝粗细到盐粒大小（15-100微米）不等。激光穿过这一层，根据数字蓝图熔化特定的图案。这种技术能够以最小的余量加工出定制的复杂部件，如晶格结构或独特的几何形状。然而，这种具有广阔前景的方法并非没有挑战。

当激光与金属粉末相互作用形成熔池时，金属粉末会在液相、气相和固相之间波动。有时，由于激光的角度或金属粉末或零件的特定几何属性等变量的影响，这一过程可能会出现偏差。这些情况被称为“体系间不稳定性”，有时会促使两种熔化方法（即“传导”和“锁孔” 体系）之间发生转换。

在不稳定“锁孔”的状态下，当熔融粉末池深度超过预期时就会产生气孔，最终导致产品出现结构缺陷。为了便于在X射线图像中测量熔池的宽度和深度，EPFL成像中心的图像分析中心开发了一种方法，可以更容易地观察到与液态金属有关的微小变化，并开发了一种用于注释熔池几何形状的工具。

用声音检测缺陷
在与保罗-舍勒研究所（PSI）和瑞士联邦材料科学与技术实验室（Empa）的合作中，EPFL团队制定了一项实验设计，将操作X射线成像实验与声发射测量相结合。

实验在PSI瑞士光源的TOMCAT光束线进行，使用的是Steven Van Petegem博士小组开发的小型LPBF打印机。通过与安装在打印室内部的超灵敏麦克风相结合，可以精确定位转换过程中声学信号的变化，从而直接识别制造过程中的缺陷。

研究的关键是Empa公司的信号处理专家Giulio Masinelli引入的自适应滤波技术。Masinelli强调说：这种滤波方法使我们能够以无与伦比的清晰度辨别缺陷与伴随的声学特征之间的关系。

典型的机器学习算法擅长从统计数据中提取模式，但往往只适用于特定场景，而这种方法却不同，它能更广泛地洞察熔化机制的物理原理，同时提供卓越的时间和空间精度。通过这项研究，EPFL为激光增材制造领域贡献了宝贵见解。研究结果对潜在的工业应用，尤其是航空航天和精密工程领域的应用具有重要意义。这项研究巩固了瑞士在精细工艺和制造精度方面的声誉，强调了对一致制造技术的需求。

此外，该研究还表明早期检测和纠正缺陷对于提高产品质量具有的潜力作用。Logé教授总结道：这项研究为更好地理解和完善制造工艺铺平了道路，从长远来看最终将提高产品的可靠性。