I ricercatori svelano un nuovo metodo basato sull’intelligenza artificiale per migliorare la produzione additiva
Utilizzo dei raggi X e dell’apprendimento automatico per far progredire la produzione di parti stampate
Molte industrie si affidano alla produzione additiva in metallo per costruire rapidamente parti e componenti. Ugelli per motori a razzo, pistoni per auto ad alte prestazioni e impianti ortopedici personalizzati sono tutti realizzati utilizzando la produzione additiva, un processo che prevede la costruzione di parti strato per strato utilizzando una stampante 3D .
La produzione additiva consente agli utenti di costruire rapidamente parti complesse, ma i difetti strutturali che si formano durante il processo di costruzione sono uno dei motivi che hanno impedito a questo approccio di essere ampiamente adottato. I ricercatori dell’Argonne National Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti ( DOE ) hanno sviluppato un nuovo metodo per rilevare e prevedere i difetti nei materiali stampati in 3D , che potrebbe trasformare il processo di produzione additiva.
” L’ APS ha offerto la verità di base accurata al 100% che ci ha permesso di ottenere una previsione perfetta della generazione dei pori con il nostro modello.” — Tao Sun, Università della Virginia
Il metodo è stato recentemente pubblicato sulla rivista Science da un gruppo di ricerca guidato da Argonne e dall’Università della Virginia ( UVA ). Gli scienziati hanno utilizzato varie tecniche di imaging e apprendimento automatico per rilevare e prevedere la formazione di pori nei metalli stampati in 3D in tempo reale con una precisione quasi perfetta.
I campioni di metallo utilizzati nello studio sono stati creati utilizzando un processo chiamato fusione a letto di polvere laser, in cui la polvere di metallo viene riscaldata da un laser e quindi fusa nella forma corretta. Ma questo approccio porta spesso alla formazione di pori che possono compromettere le prestazioni di una parte.
Molte macchine per la produzione additiva dispongono di sensori di immagini termiche che monitorano il processo di costruzione, ma questi possono non notare la formazione di pori perché visualizzano solo la superficie delle parti in costruzione. L’unico modo per rilevare direttamente i pori all’interno di parti metalliche dense è utilizzare intensi fasci di raggi X, come quelli generati dall’Advanced Photon Source ( APS ), una struttura per utenti del DOE Office of Science ad Argonne.
” I nostri fasci di raggi X sono così intensi che possiamo visualizzare più di un milione di fotogrammi al secondo”, ha affermato Samuel Clark, assistente fisico all’Argonne. Queste immagini hanno permesso ai ricercatori di vedere la generazione dei pori in tempo reale. Correlando i raggi X e le immagini termiche, gli scienziati hanno scoperto che i pori formatisi all’interno di un campione causano distinte firme termiche sulla superficie che le termocamere possono rilevare.
Quindi, i ricercatori hanno addestrato un modello di apprendimento automatico per prevedere la formazione di pori all’interno di metalli 3D utilizzando solo immagini termiche. Hanno convalidato il modello utilizzando i dati delle immagini a raggi X, che sapevano riflettere accuratamente la generazione dei pori. Quindi, hanno testato la capacità del modello di rilevare segnali termici e prevedere la generazione di pori in campioni non etichettati.
” L’ APS ha offerto la verità di base accurata al 100% che ci ha permesso di ottenere una previsione perfetta della generazione dei pori con il nostro modello”, ha affermato Tao Sun, professore associato presso UVA .
Molte macchine per la produzione additiva sul mercato dispongono già di sensori, ma non sono così precisi come il metodo scoperto dai ricercatori.” Il nostro approccio può essere facilmente implementato nei sistemi commerciali “, ha affermato Kamel Fezzaa, fisico di Argonne.” Con solo una termocamera, le macchine dovrebbero essere in grado di rilevare quando e dove vengono generati i pori durante il processo di stampa e regolare i loro parametri di conseguenza.”
Ad esempio, se un difetto grave viene rilevato da una macchina all’inizio del processo di produzione, la macchina può interrompere automaticamente la costruzione di una parte. Anche se il processo di costruzione non viene interrotto, il nuovo approccio può fornire informazioni su dove potrebbero trovarsi i difetti dei pori all’interno della parte, facendo risparmiare tempo agli utenti durante l’ispezione.
” Se hai un file di registro che ti dice che queste quattro posizioni potrebbero avere dei difetti, allora controllerai solo queste quattro posizioni invece di guardare l’intera parte”, ha detto Sun.
L’obiettivo finale è creare un sistema che non solo rilevi i difetti, ma li ripari durante il processo di produzione. Andando avanti, i ricercatori studieranno sensori in grado di rilevare altri tipi di difetti che si verificano durante il processo di produzione additiva.” Alla fine, vogliamo sviluppare un sistema completo che possa dirti non solo dove potresti avere difetti, ma anche qual è esattamente il difetto e come potrebbe essere risolto “, ha affermato Sun.
Informazioni sulla sorgente fotonica avanzata
L’Advanced Photon Source ( APS ) dell’Office of Science del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti presso l’Argonne National Laboratory è una delle strutture di sorgenti di luce a raggi X più produttive al mondo. L’ APS fornisce fasci di raggi X ad alta luminosità a una comunità diversificata di ricercatori nel campo della scienza dei materiali, della chimica, della fisica della materia condensata, delle scienze della vita e dell’ambiente e della ricerca applicata. Questi raggi X sono ideali per l’esplorazione di materiali e strutture biologiche; distribuzione elementare; stati chimici, magnetici, elettronici; e una vasta gamma di sistemi ingegneristici tecnologicamente importanti, dalle batterie agli spray per iniettori di carburante, che sono tutti alla base del benessere economico, tecnologico e fisico della nostra nazione. Ogni anno, più di 5.000 ricercatori utilizzano ilAPS produrrà oltre 2.000 pubblicazioni che dettagliano scoperte di grande impatto e risolveranno strutture proteiche biologiche più vitali rispetto agli utenti di qualsiasi altra struttura di ricerca sulle sorgenti luminose a raggi X. Gli scienziati e gli ingegneri APS innovano la tecnologia che è al centro dell’avanzamento delle operazioni di accelerazione e sorgente luminosa. Ciò include i dispositivi di inserimento che producono raggi X di estrema luminosità apprezzati dai ricercatori, lenti che concentrano i raggi X fino a pochi nanometri, strumentazione che massimizza il modo in cui i raggi X interagiscono con i campioni studiati e software che raccoglie e gestisce l’enorme quantità di dati derivanti dalla ricerca scoperta presso l’ APS .
Questa ricerca ha utilizzato le risorse dell’Advanced Photon Source, una struttura per gli utenti dell’Office of Science del DOE degli Stati Uniti gestita per l’Office of Science del DOE dall’Argonne National Laboratory con il contratto n. DE-AC02-06CH11357 .
L’Argonne National Laboratory cerca soluzioni ai pressanti problemi nazionali nel campo della scienza e della tecnologia. Il primo laboratorio nazionale della nazione, l’Argonne conduce ricerche scientifiche di base e applicate all’avanguardia praticamente in ogni disciplina scientifica. I ricercatori di Argonne lavorano a stretto contatto con ricercatori di centinaia di aziende, università e agenzie federali, statali e municipali per aiutarli a risolvere i loro problemi specifici, promuovere la leadership scientifica americana e preparare la nazione per un futuro migliore. Con dipendenti provenienti da più di 60 nazioni, Argonne è gestita da UChicago Argonne, LLC per l’ Office of Science del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti .
L’Office of Science del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti è il singolo più grande sostenitore della ricerca di base nelle scienze fisiche negli Stati Uniti e sta lavorando per affrontare alcune delle sfide più urgenti del nostro tempo.
