布里斯托大学开发用于监测3D打印部件质量的激光传感器技术

2024年4月26日，南极熊获悉，英国布里斯托大学（University of Bristol）宣称，研究人员已经推导出一个公式，通过激光传感器可以获取有关组件形状和材料微观结构的详细信息，这有助于设计和制造过程的优化。目前还没有商业上可行的传感技术和相关成像算法来评估此类组件的质量。如果金属3D打印部件能够达到工业安全和质量标准，那么将为制造业带来巨大的商业优势。

△该研究发表在《Waves in Random and Complex Media》杂志上，题目为“局部各向异性非均质介质中超声波剪切波传播建模的概率方法”（传送门）

布大工程数学与技术学院院长Anthony Mulholland教授表示，这项技术的关键突破在于使用了超声波阵列传感器，这种传感器与医学成像中使用的传感器基本相同，例如，用于生成子宫内婴儿的图像。不过，这种基于激光的新型传感器无需与材料接触。

△弹性剪切波在特定平面上的运动以及相关的位移矢量和减速面方向示意图

Mulholland教授表示：“使用基于激光的超声波阵列是一种潜在的传感方法，我们正在使用数学建模来为这种设备的设计提供参考，以便在现场部署。”

研究小组建立了一个数学模型，其中包含了超声波在分层（3D打印）金属材料中传播的物理学原理，并考虑到了每个制造部件之间的可变性。

△当金属在焊缝中冷却时，晶体结构会伸长并与热梯度方向对齐。利用电子反向散射衍射 (EBSD) 进行破坏性测量的材料特性示意图

数学公式由与超声波激光器相关的设计参数和特定材料的性质组成。输出是传感器产生多少信息的量度，以便对部件的机械完整性进行评估。然后可以改变输入参数，以最大限度地提高信息含量。

Mulholland教授解释说：“然后，我们可以与我们的行业合作伙伴合作，开发出一种在制造阶段评估这些安全关键部件机械完整性的方法。这可能会带来全新的设计（充分利用3D打印技术）、更快、更具成本效益的生产工艺，并为英国制造业带来显著的商业和经济优势。

现在，研究小组计划利用这些发现来帮助他们的实验合作者设计和建造基于激光的超声波阵列。这些传感器将会被安装在机械臂上，并在受控的增材制造环境中进行现场部署和应用。它们将最大限度地提高传感器产生的数据中的信息含量，并创建定制的成像算法，以生成由行业合作伙伴提供的部件内部的断层图像。然后将采用破坏性手段来评估所生成的断层图像的质量。

Mulholland教授表示：“开放3D打印技术用于制造安全关键部件，例如航空航天工业中的部件，将为英国工业带来巨大的商业优势。”缺乏评估这些部件机械完整性的方法是阻碍利用3D打印技术制造安全关键部件的发展的主要障碍。总的来说，该研究建立了一个数学模型，模拟了基于激光的新型传感器的使用，这可以为解决这一问题提供方案，并且有助于加速传感器的设计和部署。