APLの研究者らがミサイル防衛システムをベースにナノ秒単位で積層造形欠陥を検出する装置を開発

APLの研究者らがミサイル防衛システムをベースにナノ秒単位で積層造形欠陥を検出する装置を開発
2024年5月14日、アンタークティックベアは、ジョンズホプキンス大学応用物理学研究所(APL)の研究者が、製造プロセスで発生する欠陥の問題を解決し、部品の強度と信頼性を損なうことを回避するために、付加製造の欠陥をリアルタイムで検出できる高度なセンサーを開発したことを知りました。

Vince Pagán 氏と Morgan Trexler 氏が率いる APL チームは、粉末床溶融結合プロセス中に発生する欠陥の解決において大きな進歩を遂げました。このプロセスでよく発生する問題は、キーホール欠陥の形成です。キーホール欠陥とは、凝固する金属内に閉じ込められた小さなガスの泡で、構造的完全性が弱まる欠陥です。これらの欠陥は、レーザーが過剰なエネルギーをあまりにも速く照射し、溶融金属が不安定になった場合に発生します。
APL チームは、表面の損傷を観察することで川の水中岩石を特定するなど、自然界からの類推を活用して、製造プロセス中の熱およびスペクトルの異常を監視することで潜在的な欠陥を検出する方法を開発しました。彼らは、これらの異常が検出されたときにレーザーを一時停止することで、金属を十分に冷却して蒸気泡の形成を防ぐことができると仮説を立てました。
小孔欠陥形成のモデル図。一番右のスライドは、冷却中の金属内に閉じ込められた蒸気を示しています。 APL の目標は、異常が完全に発生する前にそれを検出できる新しい検知方法を開発することで、そのような欠陥を防ぐことです。出典: ジョンズ・ホプキンス APL。
この画期的な進歩は、マイクロ秒単位で反応できるカスタム センサーの開発から生まれました。積層造形では従来のプロセスよりも材料が数千倍速く固まることを考慮すると、これは非常に高速です。ジョンズ・ホプキンス大学のマーク・フォスター氏と彼のチームとの共同開発により開発されたこれらのセンサーは、複数の波長のフォトダイオードを備え、サンプリング周波数が向上しています。このセットアップにより、溶融プールのダイナミクスを高解像度でキャプチャできるようになり、欠陥の早期検出に重要になります。
実際には、センサーはレーザーと直接通信する制御フレームワークに統合されており、過度の熱が検出されるとすぐにシャットダウンするように指示します。この迅速対応システムは、ミサイル防衛システムの技術に基づいており、1000万分の1秒から2000万分の1秒以内に行動を起こすことができます。これらのシステムがデータ入力に応答する敏捷性が、欠陥防止を成功させる鍵となります。
APL チームは、システムが 1 マイクロ秒未満で応答できることを実証することに成功しました。これは、監視対象の物理プロセスよりもはるかに高速です。この機能により、システムは潜在的な欠陥に事前に対処し、最終製品の完全性を確保することができます。
今後、チームはシステムに人工知能を組み込んでフィードバックループの速度と精度を高め、製造プロセス中にリアルタイムで調整できるようにすることを計画しています。この開発により、欠陥のない部品を製造する際の積層造形の信頼性が向上するだけでなく、さまざまな主要分野でこの技術が広く採用されるための基盤が築かれることが期待されます。
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