Улучшение аддитивного производства с помощью тепловидения

Apr 19, 2023

Уже более десяти лет строительная отрасль использует аддитивное производство для создания архитектурных моделей, прототипов и деталей конечного использования. Этот процесс, включающий в себя послойное создание деталей с помощью 3D-принтера, позволяет пользователям быстро создавать геометрически сложные детали, автоматизировать производственный процесс и использовать определенные материалы в зависимости от применения.

Хотя аддитивное производство потенциально может повысить безопасность труда и производительность труда в строительной отрасли, структурные дефекты, образующиеся в процессе строительства, не позволяют этому подходу получить широкое распространение.

Исследователи из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) недавно разработали новый метод обнаружения и прогнозирования дефектов в материалах, напечатанных на 3D-принтере, который может изменить процесс аддитивного производства.

В своем исследовании ученые из Аргонны, Университета Вирджинии и ряда других учреждений использовали различные методы визуализации для обнаружения образования пор в металлах, напечатанных на 3D-принтере, в режиме реального времени. Образцы металла, использованные исследователями, были созданы с использованием процесса, называемого лазерным плавлением в слое порошка, при котором металлический порошок нагревается лазером, а затем плавится до нужной формы. Но такой подход часто приводит к образованию пор, которые могут ухудшить эксплуатационные характеристики детали.

Многие машины для аддитивного производства оснащены тепловизионными датчиками, которые контролируют процесс сборки, но эти датчики могут не заметить образование пор, поскольку они отображают только поверхность конструируемых деталей. Единственный способ напрямую обнаружить поры внутри плотных металлических деталей — использовать интенсивные рентгеновские лучи, подобные тем, что используются в усовершенствованном источнике фотонов в Аргонне.

Рентгеновские инструменты Аргонны могут захватывать более миллиона изображений в секунду, что позволило исследователям увидеть образование пор в реальном времени. Затем они сравнили рентгеновские изображения образования пор с тепловыми изображениями, созданными машиной для аддитивного производства. Они обнаружили, что поры, образующиеся внутри металлической детали, создают на поверхности отчетливые тепловые сигнатуры, которые могут обнаружить тепловизионные камеры.

После того, как исследователи определили тепловые сигнатуры, которые могут быть обнаружены машинами аддитивного производства, они обучили модель машинного обучения прогнозировать образование пор в трехмерных металлах. Они проверили модель, используя данные рентгеновских изображений, которые, как они знали, точно отражали образование пор в использованных ими металлических образцах.

Затем они проверили, может ли их модель обнаруживать тепловые сигналы и прогнозировать образование пор в новом наборе образцов. Ученые обнаружили, что их новый метод позволяет почти идеально прогнозировать образование пор в режиме реального времени.

Хотя многие машины для аддитивного производства, представленные на рынке, уже оснащены датчиками, они далеко не так точны, как метод, разработанный исследователями. Но вместо того, чтобы создавать новые машины для аддитивного производства, этот метод можно легко внедрить в существующие коммерческие системы, оснащенные тепловизионными камерами.

Включение этого нового метода в современные машины может помочь пользователям определить, где в процессе печати образуются поры, предоставив им информацию, необходимую для корректировки параметров или полной остановки печати. В некоторых случаях машина может автоматически прекратить изготовление детали, если серьезный дефект обнаружен на ранней стадии процесса аддитивного производства, что экономит время, материалы и деньги пользователей.

Новый метод также может принести пользу пользователям после того, как деталь будет напечатана, сэкономив им время в процессе проверки. В частности, на машине создается файл журнала, в котором фиксируются места, где дефекты пор могут быть расположены внутри детали. Затем инспекторы могут использовать этот файл журнала для просмотра конкретных мест вместо анализа каждого аспекта детали.

Конечная цель разработки этого подхода — создать систему, которая не только выявляет дефекты, но и устраняет их в процессе аддитивного производства.

В дальнейшем исследователи планируют изучить датчики, способные обнаруживать другие типы дефектов. Они надеются разработать комплексную систему, которая сможет сообщать пользователям не только о том, где могут возникнуть дефекты, но и о том, какой это тип дефекта и как его исправить.