По данным Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL) , исследователи из группы неразрушающего контроля (НК) разрабатывают подходы для изучения эволюции материалов и структур внутри металлической 3D-печатной конструкции в процессе печати. ​​Эти методы НК могут стать передовыми технологиями для аддитивного производства металлов, предоставляя производителям данные, необходимые для разработки более эффективных методов моделирования, параметров обработки и предиктивного контроля для обеспечения качества и стабильности деталей.

« Если вы хотите, чтобы люди использовали металлические компоненты АП в мире, вам необходим неразрушающий контроль (НК), — сказал Дэвид Стоббе, руководитель группы ультразвуковых приборов и датчиков НК в Отделе материаловедения (MED). — Если мы сможем доказать, что детали, изготовленные АП, ведут себя так, как задумано, это позволит им получить широкое распространение, использоваться в критически важных для безопасности компонентах в аэрокосмической , энергетической и других отраслях, и, как мы надеемся, откроет новую парадигму в производстве».

Методы неразрушающего контроля (НК) включают в себя пропускание сигналов, таких как рентгеновские лучи, ультразвук или электрический ток, через объекты и наблюдение за изменениями сигналов для получения информации или реконструкции изображения того, что находится внутри. НК важен для контроля качества всех производимых деталей, но в случае аддитивного производства металлов он также может помочь выявить проблемы печати, прежде чем станет слишком поздно.

В большинстве технологий аддитивного производства металлов для склеивания материалов используется нагрев, а поскольку металлы чрезвычайно чувствительны к нагреву, структура может значительно изменяться в процессе печати. ​​Тепло рассеивается с поверхности печати в уже напечатанную структуру, что может повлиять на качество склеивания материалов, привести к дефектам и нестабильным характеристикам продукции.

«Для обеспечения стабильного качества печати необходимо измерять и характеризовать развивающиеся в недрах процессы», — сказал Саптарши Мукерджи, научный сотрудник Отдела атмосферы, Земли и энергетики (AEED) Лаборатории. «Это очень сложная задача, поскольку большинство современных технологий неразрушающего контроля не способны видеть сквозь тепло, и даже инфракрасные камеры и антенны обнаруживают тепло только на поверхности».

Мукерджи участвует в проекте по мониторингу внутренней температуры в процессе лазерной порошковой плавки (LPBF) металлов с использованием вихревых токов – закрученных контуров электрического тока, создаваемых магнитными полями. Вихревые токи чувствительны к электропроводности, а поскольку электропроводность зависит от температуры, датчики вихревых токов предоставляют локализованную информацию о температуре внутри конструкций в режиме реального времени. Моделирование, проведенное сотрудниками из Мичиганского университета, показало жизнеспособность этого подхода, и группа подтвердила его с помощью простого эксперимента, результаты которого недавно были опубликованы в журнале Scientific Reports.

«Насколько нам известно, это первый случай использования вихретоковых датчиков для наблюдения за этими очень быстрыми неравновесными термическими процессами, которые наводят на мысль о тех тепловых процессах, которые можно наблюдать в процессе аддитивной обработки металлов», — сказал Итан Розенберг, постдок из MED.

В настоящее время Розенберг руководит экспериментальными испытаниями для последующего исследования с использованием условий, приближенных к реальным, таких как неравномерный нагрев и более короткие временные шкалы.

Руководитель группы неразрушающего контроля Джо Триндж запустил первый проект лабораторных исследований и разработок (LDRD) в этой области в 2018 году, и с тех пор группа осваивает новые горизонты, чтобы идти в ногу с АМ-технологиями в металле. В своём первом проекте группа продемонстрировала, что сигнатуры миллиметровых волн могут эффективно характеризовать форму отдельных капель жидкого металла, используемых для создания структур при струйной обработке жидкого металла. В конечном итоге им удалось собрать достаточно данных для обучения алгоритма машинного обучения прогнозированию формы капель.

«Если мы сможем объединить эту обратную связь с моделированием системы, мы сможем узнать, работают ли параметры печати или их нужно изменить в режиме реального времени, чтобы в итоге получить то, что нужно», — сказал Стоббе.

Последующие проекты расширились до электрорезистивной томографии (которая измеряет изменения напряжения тока и электрического потенциала), рентгеновской компьютерной томографии, ультразвука и обнаружения нейтронов с акцентом на решетчатые структуры и другие сложные геометрии.

Группа также использует неразрушающий контроль (НК) для контроля параметров обработки, таких как ультразвуковая обработка (использование ультразвуковых волн для создания вибраций и улучшения гомогенизации), при лазерном аддитивном производстве металлов . В недавней статье, опубликованной в журнале Communications Materials , группа и её коллеги из Университета штата Пенсильвания и Аргоннской национальной лаборатории доказали возможность использования высокоскоростной синхротронной рентгеновской визуализации для этих измерений. Этот метод — первый шаг к пониманию влияния ультразвуковой обработки на печать, что поможет производителям оптимизировать процесс и повысить качество деталей.

«В процессе аддитивного производства происходит множество процессов, влияющих на качество детали, но без использования методов неразрушающего контроля это своего рода чёрный ящик», — сказал Розенберг. «При наличии изобретательности и хорошего понимания физических процессов можно открыть этот ящик и увидеть, что происходит внутри, и это, надеюсь, поможет контролировать процесс».

Группа планирует продолжить разработку, совершенствование и обобщение различных методов неразрушающего контроля (НК) для аддитивного производства металлов, поскольку разные методы лучше подходят для измерения разных типов информации. Они также надеются обучить алгоритмы машинного обучения для мониторинга в режиме реального времени и исправления ошибок в процессе печати, чтобы повысить качество печати.

Информация, которую они соберут на этом пути, будет иметь решающее значение для обеспечения широкого внедрения АП из металлов, и они надеются, что их работа также поможет повысить осведомленность о возможностях неразрушающего контроля в этой развивающейся области.

«В этом есть что-то от настоящей золотой лихорадки», — сказал Стоббе. «Вы делаете или измеряете то, что, как вы знаете, никто никогда не делал и не измерял, потому что это новая технология, и это, безусловно, захватывающе».

Источник