增材制造（Additive Manufacturing, AM）技術(shù)有望徹底改變工業(yè)格局，但其面臨的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是在制造過程中可能出現(xiàn)的缺陷，這些缺陷會(huì)損害組件的強(qiáng)度和可靠性。約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室（APL）的研究人員正在通過開發(fā)先進(jìn)的傳感器來解決這個(gè)問題，這些傳感器能夠在制造過程中實(shí)時(shí)檢測(cè)缺陷。

由Vince Pagán和Morgan Trexler領(lǐng)導(dǎo)的APL團(tuán)隊(duì)在解決粉末床熔融（Powder Bed Fusion）過程中出現(xiàn)的缺陷方面取得了重大進(jìn)展。粉末床熔融技術(shù)中一個(gè)常見的問題是匙孔缺陷的形成，即在凝固金屬內(nèi)殘留的微小氣泡，這會(huì)削弱金屬的結(jié)構(gòu)完整性。當(dāng)激光過快地傳遞過多的能量時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)這些缺陷，導(dǎo)致熔化的金屬不穩(wěn)定。

APL團(tuán)隊(duì)通過觀察大自然中的現(xiàn)象，例如通過觀察河流中的水下巖石識(shí)別表面破壞，開發(fā)了一種方法，通過監(jiān)測(cè)制造過程中的熱和光譜異常來檢測(cè)潛在的缺陷。他們假設(shè)，當(dāng)檢測(cè)到這些異常時(shí)，通過短暫暫停激光，金屬可以充分冷卻以防止蒸氣泡的形成。

小孔缺陷形成的模型視圖，圖片來自：約翰·霍普金斯大學(xué)

約翰·霍普金斯大學(xué)借助導(dǎo)彈防御系統(tǒng)中的技術(shù)，能夠在納秒內(nèi)檢測(cè)到增材制造中的缺陷。團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種能夠在微秒內(nèi)響應(yīng)的定制傳感器，這種傳感器速度非常快，考慮到增材制造中材料的凝固速度比傳統(tǒng)工藝快數(shù)千倍。傳感器與Mark Foster及其團(tuán)隊(duì)合作開發(fā)，配備了多個(gè)波長(zhǎng)的光電二極管，并具有增強(qiáng)的采樣頻率，可以高分辨率地捕捉熔池動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，這對(duì)于早期檢測(cè)缺陷至關(guān)重要。

在實(shí)踐中，傳感器被集成到一個(gè)控制框架中，該框架直接與激光器通信。如果檢測(cè)到過多的熱量，傳感器會(huì)指示激光器立即關(guān)閉。這種快速響應(yīng)系統(tǒng)基于導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的技術(shù)，可在百萬分之十至二十秒內(nèi)采取行動(dòng)。系統(tǒng)響應(yīng)數(shù)據(jù)輸入的敏捷性是成功防止缺陷的關(guān)鍵。

APL團(tuán)隊(duì)成功證明了系統(tǒng)能夠在不到一微秒的時(shí)間內(nèi)做出響應(yīng)，這比其所監(jiān)控的物理過程要快得多。該功能使系統(tǒng)能夠先發(fā)制人地解決潛在缺陷，確保最終產(chǎn)品的完整性。

展望未來，APL團(tuán)隊(duì)計(jì)劃將人工智能納入系統(tǒng)，以提高反饋循環(huán)的速度和準(zhǔn)確性，從而有可能在制造過程中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)整。這一發(fā)展不僅有望提高增材制造在生產(chǎn)無缺陷組件方面的可靠性，而且還為該技術(shù)在各個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域的更廣泛采用奠定了基礎(chǔ)。

增材制造（Additive Manufacturing, AM）技術(shù)有望徹底改變工業(yè)格局，但其面臨的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是在制造過程中可能出現(xiàn)的缺陷，這些缺陷會(huì)損害組件的強(qiáng)度和可靠性。約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室（APL）的研究人員正在通過開發(fā)先進(jìn)的傳感器來解決這個(gè)問題，這些傳感器能夠在制造過程中實(shí)時(shí)檢測(cè)缺陷。

由Vince Pagán和Morgan Trexler領(lǐng)導(dǎo)的APL團(tuán)隊(duì)在解決粉末床熔融（Powder Bed Fusion）過程中出現(xiàn)的缺陷方面取得了重大進(jìn)展。粉末床熔融技術(shù)中一個(gè)常見的問題是匙孔缺陷的形成，即在凝固金屬內(nèi)殘留的微小氣泡，這會(huì)削弱金屬的結(jié)構(gòu)完整性。當(dāng)激光過快地傳遞過多的能量時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)這些缺陷，導(dǎo)致熔化的金屬不穩(wěn)定。

APL團(tuán)隊(duì)通過觀察大自然中的現(xiàn)象，例如通過觀察河流中的水下巖石識(shí)別表面破壞，開發(fā)了一種方法，通過監(jiān)測(cè)制造過程中的熱和光譜異常來檢測(cè)潛在的缺陷。他們假設(shè)，當(dāng)檢測(cè)到這些異常時(shí)，通過短暫暫停激光，金屬可以充分冷卻以防止蒸氣泡的形成。

小孔缺陷形成的模型視圖，圖片來自：約翰·霍普金斯大學(xué)

約翰·霍普金斯大學(xué)借助導(dǎo)彈防御系統(tǒng)中的技術(shù)，能夠在納秒內(nèi)檢測(cè)到增材制造中的缺陷。團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種能夠在微秒內(nèi)響應(yīng)的定制傳感器，這種傳感器速度非常快，考慮到增材制造中材料的凝固速度比傳統(tǒng)工藝快數(shù)千倍。傳感器與Mark Foster及其團(tuán)隊(duì)合作開發(fā)，配備了多個(gè)波長(zhǎng)的光電二極管，并具有增強(qiáng)的采樣頻率，可以高分辨率地捕捉熔池動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，這對(duì)于早期檢測(cè)缺陷至關(guān)重要。

在實(shí)踐中，傳感器被集成到一個(gè)控制框架中，該框架直接與激光器通信。如果檢測(cè)到過多的熱量，傳感器會(huì)指示激光器立即關(guān)閉。這種快速響應(yīng)系統(tǒng)基于導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的技術(shù)，可在百萬分之十至二十秒內(nèi)采取行動(dòng)。系統(tǒng)響應(yīng)數(shù)據(jù)輸入的敏捷性是成功防止缺陷的關(guān)鍵。

APL團(tuán)隊(duì)成功證明了系統(tǒng)能夠在不到一微秒的時(shí)間內(nèi)做出響應(yīng)，這比其所監(jiān)控的物理過程要快得多。該功能使系統(tǒng)能夠先發(fā)制人地解決潛在缺陷，確保最終產(chǎn)品的完整性。

展望未來，APL團(tuán)隊(duì)計(jì)劃將人工智能納入系統(tǒng)，以提高反饋循環(huán)的速度和準(zhǔn)確性，從而有可能在制造過程中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)整。這一發(fā)展不僅有望提高增材制造在生產(chǎn)無缺陷組件方面的可靠性，而且還為該技術(shù)在各個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域的更廣泛采用奠定了基礎(chǔ)。