《美国国家标准与技术研究院(NIST)对增材制造中的2D和3D原位测量在聚合物和金属材料中的应用的研究》

  • 来源专题:计量基标准与精密测量
  • 编译者: 张宇
  • 发布时间:2024-09-09
  • 在3D打印或增材制造(AM)的整个领域中,对过程-结构-性能-过程(PSPP)关系的理解取决于准确的测量。制造的材料是三维的,因此,除了二维测量之外,三维测量在整个PSPP链中提供了深刻的洞察力。这项工作将概述我们项目中最近部署的几种测量技术,以进行此类测量,并包括这些测量的相关发现。测量系统可以根据它们在制造和使用过程中的使用点进行分类。比如原位过程测量指的是在材料制造过程中进行的测量。或者说使用原位机械测试的X射线计算机断层扫描(XRCT),指的是在已经生产的部件变形过程中获取三维图像的过程。

    第一类测量阐明了制造过程,我们最近的工作中有两例。第一例是基于原子力显微镜(AFM)的测量,可以原位使用来推断变化,如粘度和薄膜柔顺性,这些变化表明树脂中的化学变化和固化。这可以用来测量转化率。第二类测量利用微型X射线计算机断层扫描(XRCT)和安装在XRCT仪器内的加载框架,在加载进程中进行中断的原位测量。

    虽然已经讨论了一系列技术,但总体的收获是,在整个PSPP工作流程中仔细进行的3D实验有助于理解增材制造产品组合中的关键力学行为,将生产能力与测量能力相匹配。这些测量有助于在分辨率、保真度以及材料质量和密度方面更好地进行增材制造。它们还允许对材料变形特性有更严格的理解,这可能会通知更多预测性模型。最后,它们可以以新的方式阐明故障模式,以便制造选择和模型可以被制作出来,以优化生产率、疲劳寿命以及零件/特征分辨率等因素。

    相关研究成果发表于7月15-19日召开的《2024 ASPE-euspen Summer Topical Meeting on Advancing Precision in Additive Manufacturing》会议论文集中。

  • 原文来源:https://www.nist.gov/publications/situ-2d-and-3d-measurements-process-and-performance-additive-manufacturing-applications
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    • 3D 立体深度传感器在许多领域都有广泛应用,包括自动驾驶汽车的传感、逆向工程和制造自动化等。这些传感器的性能会受到多种因素的影响,例如传感器结构、传感器技术、传感器设置、环境等。为了对这些传感器进行表征以及制定相关标准,需要了解影响传感器输出的参数。随着机器学习(ML)在 3D 点云和深度数据方面的应用日益普及,了解这些模型使用的数据对于提高此类深度传感器的采用率至关重要。在某些领域中,传感器噪声和瞬态效应可能会成为主导因素。在将传感器数据与ML算法结合使用之前降低噪声对于提高算法准确性是必要的。为了对深度传感器进行表征,我们使用具有不同光泽度、颜色和纹理/图案的目标进行了实验。此外,我们还通过研究传感器参数(如曝光、增益和激光功率)来探究传感器数据质量和噪声。我们发现在传感器捕获的 2D 图像和深度数据中都存在瞬态效应。这些实验有助于为特定应用提供可能建议的操作条件以及针对这些传感器的未来标准。 会议录下载链接:https://tsapps.nist.gov/publication/get_pdf.cfm?pub_id=959923
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    • Andrew Iams在电子显微镜下观察时看到了一些奇怪的东西。当时,他正在原子层面上检查一块新型铝合金的碎片,试图找到其强度的关键,这时他注意到原子排列成一种极为特殊的模式。“就在那时,我开始感到兴奋,”Iams表示,他是一名材料研究工程师,“因为我觉得自己可能正在观察一种准晶体。” 他不仅在该铝合金中发现了准晶体,而且他和他在美国国家标准与技术研究院(NIST)的同事们还发现,这些准晶体也使其更加坚固。他们将这一发现发表在了《Journal of Alloys and Compounds》上(DOI:10.1016/j.jallcom.2025.180281)。 这种合金是在金属3D打印的极端条件下形成的,这是一种制造金属零件的新方法。在原子层面上理解这种铝的特性,将使制造全新类别的3D打印零件成为可能,例如飞机部件、热交换器和汽车底盘。这也将为研究使用准晶体来增强强度的新型铝合金开辟道路。 准晶体是什么? 准晶体与普通晶体相似,但有几个关键区别。 传统晶体是由原子或分子以重复模式排列而成的任何固体。例如,食盐是一种常见的晶体。食盐的原子连接形成立方体,这些微小的立方体又连接形成足够大的立方体,可以用肉眼看到。 原子形成重复晶体图案的方式只有230种。准晶体不符合其中的任何一种。它们独特的形状使它们能够形成填充空间的图案,但永远不会重复。 准晶体是由以色列理工学院的材料科学家Dan Shechtman在20世纪80年代于NIST休假期间发现的。当时许多科学家认为他的研究存在缺陷,因为他发现的新晶体形状不符合晶体的正常规则。但通过仔细研究,谢赫特曼毫无疑问地证明了这种新型晶体的存在,彻底改变了晶体学的科学,并赢得了2011年的诺贝尔化学奖。 几十年后,在与Shechtman同一栋楼工作的Andrew Iams在3D打印铝中发现了他自己的准晶体。 金属3D打印如何工作? 金属3D打印有几种不同的方法,但最常见的一种称为“粉末床熔化”。其工作原理如下:金属粉末被均匀地铺成一层薄层。然后,一台强大的激光在粉末上移动,将其熔化在一起。在第一层完成后,新的粉末层被铺在上面,重复这一过程。激光逐层将粉末熔化成所需的形状。 3D打印能够制造出其他方法无法实现的形状。例如,2015年,GE公司为飞机发动机设计了燃料喷嘴,这种喷嘴只能通过金属3D打印制造。这种新型喷嘴是一个巨大的改进。其复杂的形状从打印机中出来时是一个轻质的整体部件。相比之下,之前的版本需要由20个独立部件组装而成,重量增加了25%。到目前为止,GE已经打印了数万个这样的燃料喷嘴,这表明金属3D打印可以在商业上取得成功。 金属3D打印的一个局限性在于它只能适用于少数几种金属。“高强度铝合金几乎不可能打印,”NIST的物理学家、论文的合著者Fan Zhang表示。“它们容易产生裂缝,这使得它们无法使用。” 为什么打印铝很难? 普通铝在大约700摄氏度的温度下熔化。3D打印机中的激光必须将温度提高到远高于这一温度:超过金属的沸点,即2470摄氏度。这会改变金属的许多特性,尤其是因为铝比其他金属加热和冷却得更快。 2017年,加州的HRL实验室和加州大学圣塔芭芭拉分校的一个研究小组发现了一种可以3D打印的高强度铝合金。他们发现,在铝粉中添加锆可以防止3D打印部件出现裂缝,从而制造出一种坚固的合金。 NIST的研究人员着手在原子层面上了解这种新的、可商业获得的3D打印铝-锆合金。“为了足够信任这种新金属,以便将其用于关键部件,如军用飞机零件,我们需要深入理解原子是如何组合在一起的,”Zhang表示。 NIST团队想知道是什么让这种金属如此坚固。事实证明,部分答案是准晶体。 准晶体如何使铝更强? 在金属中,完美的晶体结构较为脆弱。完美晶体的规律模式使原子更容易相互滑动。当这种情况发生时,金属会弯曲、拉伸或断裂。准晶体打破了铝晶体的规律模式,产生缺陷,从而使金属更加坚固。 识别准晶体的测量科学 当Iams从正确的角度观察这些晶体时,他发现它们具有五重旋转对称性。这意味着有五种方式可以绕一个轴旋转晶体,使其看起来相同。 “五重对称性非常罕见。这是可能发现准晶体的一个明显迹象,”Iams表示。“但在我们完全确信之前,必须确保测量是正确的。”为了确认他们发现的是一种准晶体,Iams必须在显微镜下小心地旋转晶体,并证明它还具有三重对称性和从两个不同角度观察到的二重对称性。 “现在我们有了这一发现,我认为它将为合金设计开辟一种新方法,”Zhang表示。“我们已经证明准晶体可以使铝更强。现在人们可能会尝试在未来合金中故意制造准晶体。”