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

2024年4月26日，南極熊獲悉，英國布里斯托大學（University of Bristol）宣稱，研究人員已經推導出一個公式，通過激光傳感器可以獲取有關組件形狀和材料微觀結構的詳細信息，這有助于設計和制造過程的優(yōu)化。目前還沒有商業(yè)上可行的傳感技術和相關成像算法來評估此類組件的質量。如果金屬3D打印部件能夠達到工業(yè)安全和質量標準，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介質中超聲波剪切波傳播建模的概率方法”（傳送門）

布大工程數學與技術學院院長Anthony Mulholland教授表示，這項技術的關鍵突破在于使用了超聲波陣列傳感器，這種傳感器與醫(yī)學成像中使用的傳感器基本相同，例如，用于生成子宮內嬰兒的圖像。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動以及相關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，我們正在使用數學建模來為這種設備的設計提供參考，以便在現場部署�！�

研究小組建立了一個數學模型，其中包含了超聲波在分層（3D打�。┙饘俨牧现袀鞑サ奈锢韺W原理，并考慮到了每個制造部件之間的可變性。

△當金屬在焊縫中冷卻時，晶體結構會伸長并與熱梯度方向對齊。利用電子反向散射衍射 (EBSD) 進行破壞性測量的材料特性示意圖

數學公式由與超聲波激光器相關的設計參數和特定材料的性質組成。輸出是傳感器產生多少信息的量度，以便對部件的機械完整性進行評估。然后可以改變輸入參數，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鍵部件機械完整性的方法。這可能會帶來全新的設計（充分利用3D打印技術）、更快、更具成本效益的生產工藝，并為英國制造業(yè)帶來顯著的商業(yè)和經濟優(yōu)勢。

現在，研究小組計劃利用這些發(fā)現來幫助他們的實驗合作者設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械臂上，并在受控的增材制造環(huán)境中進行現場部署和應用。它們將最大限度地提高傳感器產生的數據中的信息含量，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量。

Mulholland教授表示：“開放3D打印技術用于制造安全關鍵部件，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估這些部件機械完整性的方法是阻礙利用3D打印技術制造安全關鍵部件的發(fā)展的主要障礙�？偟膩碚f，該研究建立了一個數學模型，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計和部署。