英特尔|2023年首篇Science：实时检测3D打印缺陷，预测率几近100% 第四代|CPU

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激光熔化技术是通过高能激光熔化粉末来制造金属部件，但该工艺经常会在部件中形成气孔而造成部件的性能受到影响。 Ren等人利用X射线来追踪这些气孔的形成，同时利用热影像系统来进行观察。这一装置使得研究人员可以发展高精度的手段，借助机器学习和热影像等手段来探测气孔的形成。借助这一追踪气孔的手段，将会有助于在制造时避免高气孔率的形成。因为高的气孔率会造成部件的失效。

图１　LPBF过程中实时探测匙孔气孔

成果摘要

气孔在当前是阻碍激光为基础的3D打印技术快速发展的一个主要的障碍。常见的气孔是在不稳定的气孔凹陷区（匙孔）由于过量的激光能量输入所造成的。借助同步辐射高速X射线影像和热成像技术，同时耦合多物理场模拟，研究人员发现在激光SLMTi-6Al-4V合金时存在两种类型的匙孔振荡。通过及其学习对这一理解进行放大，研究人员发展了一种策略来探测随机出现的匙孔气孔的生成，借助的是亚毫秒时间分辨率的技术手段和几近完美的预测速率。这一高准确率的手段促进在操作X射线影像时可以允许我们来用简单实用的办法来应用于商业系统中。

图２　Ti-6Al-4V合金中的固有的和微扰动的匙孔振荡
经过几十年的持续研究和发展，激光粉末床熔化（LPBF或SLM）作为一种先进的且方便的快速原型制造技术，大大的缩短了从设计到制造的过程。尽管在工业中的好多场合都已经在采用LPBF这一技术，但仍然在很多地方，尤其是对质量控制比较重要的场合，毕竟LPBF是整个生产线中重要的一环。作为最基本的LPBF打印技术， LPBF技术可以实现复杂形状和精细特征的制造。然而，在LPBF技术作为制造技术得到应用之前，仍然存在较多的技术障碍需要区克服。在一个典型的LPBF工艺过程中，高功率的激光用来局部熔化粉末，熔化－凝固后固化形成３D部件。在打印过程中极端的热状态触发瞬态现象和复杂的结构动力学。他们之间的相互作用经常会导致结构缺陷的产生，如气孔便是其中之一。一种常见的气孔是蒸汽凹陷区的瞬时溃散形成的。这一气孔又叫匙孔气孔。

图３　数据的错误标记对预测结果的影像
在激光能量的输入存在额外多的情况下（如高功率和慢的扫描速率），金属蒸汽就会施加一个反冲压力，从而推向熔池金属表面的底部，形成一条窄且深的匙孔，这一匙孔会放大激光的反射和吸收。尽管这会增加整个金属对激光的吸收，以及有利于制造过程提高能量利用效率和提高制造速率，匙孔中的这一非均匀的激光吸收会产生局部的热效应和导致气压、毛细压力、马格拉力和气体动力学之间的不平衡。在不稳定匙孔的状态下，气泡掐断了匙孔的尖端，并且有时候会在先凝固的前沿形成气孔缺陷。对这一特定材料的LPBF ，在功率－扫描速度（Ｐ－Ｖ）工艺图中的不稳定气孔的区域可以用小的不确定性来定义。设定初始的激光参数在不稳定匙孔区域之外，可以帮助减轻匙孔气孔的形成。然而，在LPBF中各个参数的放大效应仍然会造成激光熔化模式的偏移，并且造成易生成匙孔气孔状态的发生，如激光光斑尺寸的偏移、功率、扫描速度的变化以及扫描策略变化造成的局部过热等。