南洋理工大学研发一种评估3D打印金属零件质量的新型成像方法

大多數3D打印金属合金是由无数微观晶体组成，这些晶体在形状、大小和原子晶格方向上都有不同之处。基于此，最近新加坡南洋理工大学（NTU Singapore）机械与航空航天工程学院和材料科学与工程学院的Matteo Seita助理教授及其团队研发了一种快速且低成本的成像方法，通过绘制3D打印金属零件的晶体信息，推断3D打印合金零件的强度和韧性等相关性能，进而评估3D打印金属零件的结构和材料质量。如同观察木纹一样，当木纹在同一方向上连续时，强度和韧性最强。

南洋理工大学认为，由该校开发的这项新型合金成像方法对于航空航天领域，显然非常受益。因为到目前为止，在3D打印金属合金中分析“微观结构”一直还是一个费时费力的过程，通常是使用扫描电子显微镜进行测量，且扫描电子显微镜的成本在10万到200万新元之间。而利用此次开发的新型合金成像方法，科学家或工程师使用一个由光学相机、手电筒和笔记本电脑组成的系统（总成本约为2.5万新元），运行一个该团队研发的专有机器学习软件，只需几分钟即可提供质量分析，非常有益于航空器上涡轮、风扇叶片和其他关键部件进行低成本的快速评估，对维护和检修行业具有非常重要的意义。

这一方法的具体操作是，首先需要用化学物质处理金属表面以揭示其微观结构；然后将样品面向相机放置，用手电筒从不同方向照亮金属，拍摄多幅光学图像；最后，利用专用软件分析不同金属晶体表面反射的光产生的图案，推断出它们的方向。整个过程操作简单、耗时短。该团队的这项发现现已发表在《npj计算材料学》（npj Computational Materials）刊物上。助理教授Seita解释说，“通过使用低成本且快速的成像方法，我们可以很容易地分辨出好的3D打印金属零件和有缺陷的零件。目前，除非我们详细评估材料的微观结构，否则我们不可能分辨出其中的区别。即使两个3D打印的金属零件可能是使用相同的技术生产的，并且具有相同的几何结构，但他们绝不相同。从理论上讲，这类似于两个原本相同的木制物件可能各自拥有不同的纹理结构。”

新的成像方法改进了3D打印认证和质量评估。Seita助理教授认为，他们创新的成像方法可能简化3D打印生产的金属合金零件的认证和质量评估。

3D打印金属零件最常用的技术之一是使用高功率激光熔化金属粉末，并将它们一层一层地熔合在一起，直到打印出完整的产品。

然而，微观结构以及由此产生的印刷金属的质量取决于许多因素，包括激光的速度或强度，在下一层熔化之前金属冷却的时间，甚至使用的金属粉末的类型和品牌。这也是为什么由两台不同的机器或生产车间打印出的相同设计可能会导致不同质量的零件。

Seita助理教授和他的团队开发的“智能软件”没有使用复杂的计算机程序测量采集到的光信号中的晶体方向，而是使用一个中性网络模拟人脑如何形成联想和处理思维。然后，该团队使用机器学习为该软件编程，为其提供数百张光学图像。

他们的软件最终学会如何根据光从金属表面散射的不同，从图像中预测金属中晶体的方向，进而创建一个完整的“晶体取向图”，该图中包含了有关晶体形状、大小和原子晶格取向的全面信息。

（摘自《中国航空报》 ）C1CDA93E-8266-4B89-99F5-81CE67C7DD45