3D打印金属表面的独特晶体图案。图片来源：南洋理工大学

新加坡南洋理工大学(NTU Singapore)的研究人员研发了一种快速且低成本的成像方法，用于评估3D打印金属零件质量。这种方法可以分析3D打印金属零件的结构以及材料质量。

大多数3D打印金属合金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。通过绘制这些信息，科学家和工程师可以推断出这种合金的性能，比如强度和韧性。这就像是观察木纹，当木纹在同一方向上连续时，强度和韧性最强。

这项由南洋理工大学创造的新技术可以使航空航天部门受益——能够对涡轮、风扇叶片和其他关键部件进行低成本的快速评估，这对维护和检修行业有重大意义。

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然而到目前为止，在3D打印金属合金中分析“微观结构”一直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来实现的，扫描电子显微镜的成本在10万到200万新币之间。

但是由南洋理工大学的Matteo Seita助理教授和他的团队开发的新型合金成像方法只需几分钟即可提供质量分析。他们使用了一个由光学相机、手电筒和笔记本电脑组成的系统，该系统运行该团队开发的专有机器学习软件，总成本约为2.5万新币。

这个方法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。然后，该软件会分析不同金属晶体表面反射的光产生的图案，并推断出它们的方向。整个过程大约需要15分钟。该团队的发现已发表在《npj 计算材料学》（ npj Computational Materials ）上。

“通过使用我们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，”南洋理工大学机械与航空航天工程学院和材料科学与工程学院的助理教授Seita解释道。

“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，这也被称作增材制造。

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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。这就是为什么由两台不同的机器或生产车间打印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来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来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。然后创建一个完整的“晶体取向图”，该图提供了有关晶体形状、大小和原子晶格取向的全面信息。

翻译：赵书轩

审校：张和持

引进来源：物理学家组织网

本文来自：中国数字科技馆