约翰霍普金斯大学和海军合作开发3D 打印高精度监测技术

在 3D 打印领域，原位监测已成为确保实时无缺陷生产的重要工具。与人类操作员可以根据需要随时调整工艺流程的传统方法不同，增材制造依赖于预设参数，通常会导致在完成之前无法检测到的错误。

约翰霍普金斯大学应用物理实验室 (APL) 的制造工程师迈克尔·普雷斯利 (Michael Presley) 说：“在增材制造中，我们目前拥有开环系统，我们可以在其中设置参数，然后机器开始自行制造。机器可以铺设数英里的焊缝，而无需知道是否出现问题。通过利用现场监测技术，我们可以更早地发现这些错误（如果出现），并开发更高效、更准确的流程。”

这些监测技术涵盖了一系列传感模式：从摄像机到高温计和热电偶（测量温度的设备）的系统；光谱仪（测量光的波长以识别化学品和材料），可调谐红外、可见光、紫外和 X 射线光谱；位移传感器；轮廓仪（测量表面光洁度的粗糙度）；超声波换能器（产生或感应能量，通常是振动）；甚至麦克风——仅举几例。这种广泛的范围源于增材制造工艺的复杂性。工程师需要系统能够同时测量以每秒数米的速度穿过构建板的熔融金属滴的温度和表面行为、留下的散装材料的质量以及所有激光器、泵、执行器和反馈的系统运行状况机器使用的控件。

认识到增强制造能力的紧迫性，特别是在海军等国防部门，正在开展合作以推进增材制造监测技术。美国海军投资 1320 亿美元购买哥伦比亚级潜艇凸显了对高效生产方法的需求。

△APL 制造工厂之一的金属打印机。（图片来源：约翰霍普金斯大学 APL/Ed Whitman）

预测军事需求

将各种监测技术集成是一项巨大的系统工程挑战，而且对于海军制造基地来说这一挑战的重要性与日俱增。美国驻欧洲空军司令詹姆斯·赫克上将在伦敦的一个小组上发表讲话时表示，美国的武器和弹药库存正变得岌岌可危。

为了进一步支持国防部的威慑计划，海军计划投资约 1320 亿美元购买 12 艘哥伦比亚级潜艇——海军历史上最大、最复杂的潜艇。但政府问责办公室最近的一份报告指出，按时交付这些船只可能会遇到困难。

为了应对这些制造挑战，海军正在优先开发和部署增材制造系统（通常称为 3D 打印机），以补充传统铸造方法并加速潜艇生产。为了支持这项工作，APL最近主持了一个工作组，讨论现场监测的现状，并概述了其在海军行动中实施的路线图。APL、NAVSEA 和各个合作伙伴组织之间的合作凸显了推动增材制造向前发展的集体努力。

随着海军应对现代战争的复杂性，现场监测的集成有望提高制造过程的效率和可靠性，确保关键资产的及时交付。

APL 海上远征后勤项目经理詹姆斯·博格哈特 (James Borghardt) 表示：“合作将成为解决当前舰队和部队的后勤和保障挑战以及未来舰队及其武器系统的制造挑战的关键。我们期待与海军、国防部和合作伙伴组织继续合作，推动该领域向前发展。”

该活动由 APL 兵力投送部门、防空和导弹防御部门以及研究和探索发展部门的团队成员在海军海上系统司令部 (NAVSEA 05T) 和战略潜艇项目执行办公室的支持下管理。32个参与组织包括宾夕法尼亚州立大学应用研究实验室、弗吉尼亚联邦先进制造中心、美国制造、陆军研究实验室、海军航空系统司令部、海军研究办公室、橡树岭国家实验室、国防后勤局、核管理委员会和一系列海军水面作战中心。

普雷斯利说：“我们在海军中研究开发增材制造监测技术的人数从几十人增加到现在的数百人，我们正在努力让每个人都了解情况并尽快采取行动，因为这些是真实的近期需求。现场监测将在这里发挥至关重要的作用，因为它可以加快和改进增材制造零件的检查。”

创建协作机构

由于增材制造本身相对较新，因此所部署的增材制造工具、数据和标准也是新的。七月份的工作组会议旨在将这一领域最聪明、最敏锐的头脑聚集到一个房间，并提出切实可行的后续步骤，以推动该领域以及军方对此类能力的信任和弹性向前发展。

普雷斯利继续说道：“目前各个组织的工作都是个性化的，因此我们希望将每个人聚集在一起，告诉彼此我们正在学习什么、正在做什么以及可以改进什么。”

会议的内容很快就超出了大多数人的预期。普雷斯利说：“我们原以为我们应该讨论我们需要什么技术，但我们发现我们实际上拥有很多我们需要的技术。现在，我们需要开始更多地作为一个社区进行合作，比较数据并找出未来对我们最有用的东西。”

一些最常见的发现是需要制定标准、高效安全地共享传感器数据、通用校准样本以及提高对该领域和行业的认识和沟通。

APL 分析了讨论、笔记和声明（其中包括来自为期两天的活动的 59 名参与者的近 2,000 张便利贴），以制定并向海军提交一份报告，该报告将用于帮助该部门确定明年的资助优先事项。报告分析明确了社区对原位传感器性能和数据生成的标准化和分析的明确关注点，并提出了建议的行动方案，包括标准化校准协议、定义传感器特定和材料相关的接受和拒绝标准以及优先考虑传感器数据捕获。

博格哈特说：“为了充分发挥增材制造的潜在价值，根据工作组的调查结果，我们正在与海军合作，重点通过现场监控和数据分析来鉴定或认证先进制造工艺，而不是传统的单个零件鉴定过程。工业基础民主化和吸引小企业参与的潜力既具有挑战性，又非常令人兴奋。”