过程后质量检测新方法,利用金纳米粒子的光学属性进行聚合物3D打印零件无损检测

塑料3D打印技术在制造中的应用日益广泛,但3D打印零件或产品中可能存在肉眼不可见的缺陷,或者是存在打印层缺失的问题。这些缺陷将损害并削弱3D打印产品的结构完整性,从而导致故障的发生。

美国范德堡大学(Vanderbilt University) 的一个研究团队,找到一种快速检测到3D打印塑料件缺陷的方法,通过这种方法研究团队能够在几秒中用无损检测方法找到3D打印塑料件中缺陷。这一技术的关键在于,在3D打印聚合物长丝材料中,添加一种金纳米粒子。

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过程后质量检测新方法,利用金纳米粒子的光学属性进行聚合物3D打印零件无损检测利用黄金的光学特性,“点亮”3D打印件中的缺陷

范德堡大学研究团队的具体方法是将金纳米颗粒掺入聚(乳酸)聚合物主体基质中,制造出与3D打印机兼容的长丝。

与溶液中纳米颗粒的Beer-Lambert定律(比尔定律)一致,研究团队观察到吸光度强度与打印层总数之间的线性关系,然后分析吸光度强度的变化,通过非破坏性方法,识别3D打印零件中小至0.2mm的材料缺陷,以及缺陷的位置和程度。

在基于该研究发表的论文中,研究团队指出,这项研究中的新发现为开发未来纳米粒子/纳米材料,3D打印功能化“智能”材料提供了关键的见解和考虑因素。

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图片来源:ACS Publications

论文的作者之一,范德堡大学土木工程博士生Cole Brubaker表示,研究团队将金纳米粒子嵌入聚合物打印材料中,并研究它们是否有助于标记这些缺陷。在研究中使用的纳米金颗粒比人类的头发薄10万倍,类似于黄金首饰中的金色,但是它们具有独特的光学特性,并且该特性不会随着时间的推移而降低。

研究团队使用新方法将纳米金颗粒与溶解的塑料聚合物混合,将金粒子分散在整个介质中。当混合材料干燥和硬化时,将塑料挤出或压制成金纳米粒子填充的聚合物长丝或薄管,这些材料可以在标准3D打印机中使用。

在使用这种材料完成3D打印后,3D打印零件被放入特殊的紫外-可见分光光度计中检查是否有缺陷。利用材料中的金纳米粒子吸光度的特性,研究团队只需在3D打印塑料件表面进行扫描,那些内部吸光度下降的位置表明该位置的材料存在缺陷。

这种通过一次性非破坏性检测发现3D打印件缺陷的检测方法,速度很快,通常只需几秒钟。

3D科学谷了解到,研究团队已证明通过这一方法3D打印零件能够“自我报告”存在的缺陷,研究团队正在利用这一“智能”材料拓展更多的可能性。

相关研究论文 Nondestructive Evaluation and Detection of Defects in 3D Printed Materials Using the Optical Properties of Gold Nanoparticles, 发表在Applied Nano Materials 期刊中。

 

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范德堡大学研究团队找到的3D打印塑料件快速无损检测的方法属于一种过程后质量检测方法。

实现3D打印塑料件的质量控制还有另一种方式是过程中质量控制,即在3D打印机中嵌入系统,并与智能制造软件相连接,对打印过程进行实时诊断,当诊断到质量问题时,能够远程停止打印,避免不必要的打印时间、材料的浪费。

根据3D科学谷的市场研究,美国硅谷的高科技企业Authentise开发了一款 3Diax Machine Analytics 软件,该软件具有实时监控3D打印设备的功能,以及收集和展示关键信息的功能,包括设备利用率和打印材料使用情况,在故障发生时及时通知客户等功能,这些功能将提高增材制造生产效率。

3Diax Machine Analytics 能够自动捕获3D打印过程中产生的大量数据,软件中的机器学习算法将对这些数据进行分析,即利用人工智能技术来分析数据,作为进一步实现制造自动化的基础。

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