匹茲堡大學正開發3D打印產品質量認證技術
增材制造（AM），或3D打印技術，已經迅速發展到可以制造形狀復雜，而且具有足夠強度的金屬部件以用于結構方面的應用。然而，開發復雜的幾何形狀有時會出現誤差和畸變，而這個時候，用于測試3D打印制造物品的質量標準還沒有跟上來。近日，美國匹茲堡大學Swanson工程學院的研究人員提出要開發增強型的建模與仿真（M＆S）技術以及新的質量標準以促進增材制造在工業領域的應用。
為了開發增材制造的標準質量檢測方法，美國國家科學基金會下屬的土木，機械和制造創新（CMMI）分部將一筆30萬美元、為期三年的捐助資金撥給了“增材制造部件的多尺度結構與力學性能研究——為了開發一種可靠質量認證方法（Multiscale Structure-Mechanical Property Investigation of Additive Manufactured Components for Development of a Reliable Qualification Method）”項目。
與此同時，為了解決建模和仿真方面的技術挑戰，“針對增材制造工藝復雜幾何建模的ABAQUS軟件自動化工具（Automation Tools for Modeling AM Process of Complex Geometries in ABAQUS）”也獲得了賓州政府社區及經濟開發部（DCED）和America Make（即前美國國家增材制造創新研究院）聯合贊助的15萬美元研究資金。
這兩個項目的主要研究人員是來自匹茲堡大學的Albert To博士（機械工程和材料科學副教授）、Minking K. Chyu博士（材料科學和機械工程Leighton and Mary Orr講席教授，四川大學匹茲堡學院院長）和Markus Chmielus博士（機械工程和材料科學助理教授）。匹茲堡RTI國際金屬公司與匹茲堡大學在后一個研究項目中進行合作。
Albert To博士
據Albert To博士介紹，當前增材制造正處于其發展的關鍵時刻，在計算機建模和質量認證兩個方面都需要加強，以減少制造時間和成本，同時提高產品質量和產品的完整性。
Minking K. Chyu博士
“增材制造擁有生成非常復雜的晶格結構和幾何形狀的能力，使我們能夠建立傳統制造方法難以企及的復雜結構。”Albert To博士說，“然而，這些日益復雜的零部件在建模階段是非常耗時的，因此更容易出錯。賓州的撥款將幫助我們開發出首個針對某些增材制造工藝和材料自動進行有限元模擬的計算機程序。
“通過改善這些復雜的、有時是微觀結構的建模，我們可以設計出相應的處理路徑和（或）零部件的幾何形狀，以減少可能會導致零部件在制造過程中失敗的殘余應力。”
此外，Albert博士指出，增材制造技術發展的速度如此之快，典型的制造標準還沒有跟上來。
“傳統的質量認證資格標準對于增材制造而言是不夠的，因為增材制造是通過從內部逐層堆積陶瓷粉末、金屬和聚合物形成零部件，因此會出現殘余應力和層與層出現缺陷的概率也較高。”Albert博士說。“例如，在航空航天制造領域，機械加工零件都要檢查表面裂紋、尺寸精度和材料組成。為了開發增材制造零部件的質檢技術，我們需要更好地理解其微觀結構及力學行為。”
要實現這一點，Albert博士解釋說，首先要采用在醫學上常見的設備——X射線顯微電腦斷層掃描或CT掃描。將機械測試和計算機仿真相結合，研究人員可以藉此在微觀層面對機械缺陷和殘余應力進行研究，然后開發出基于計算機的，非破壞性的質量檢測方法。該方法具有快速、可靠、經濟的特點，可以大大提高了3D打印零部件的質量。
“增材制造有望徹底改變復雜和獨特零部件和機器的制造模式，但是它的前提是要擁有可靠的質量保證手段。”Albert博士說。“毫不夸張地說，我們正在為一場21世紀的制造業革命奠定基礎。”
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