塑料制品具有成本低、质量轻、高耐用性等特点。大规模制造塑料制品在一系列工业场合中具有重要而广泛的作用，如医疗器件、汽车零部件、微纳系统等。然而，在制造过程中，孔洞、裂纹、内部杂质等缺陷的形成会导致最终产品的失效。近日，浙江大学机械工程学院的赵朋团队提出了利用磁悬浮进行塑料零件无损检测的新型方法。将抗磁性的塑料零件置于顺磁性溶液中，并将溶液置于两块同极对置的磁铁中间，根据塑料零件的悬浮姿态判断有无内部缺陷以及缺陷位置等信息。

图1 磁悬浮装置示意图 

塑料制品在磁悬浮装置中受到磁场力、浮力、重力的共同作用而稳定悬浮，其悬浮高度取决于物质的密度，悬浮姿态取决于其内部的密度分布。磁悬浮过程涉及多物理场耦合（磁场、流固耦合），目前缺少完整的数学模型用于分析、计算具有任意形状的三维零件的悬浮过程。研究团队首次提出了磁悬浮过程的数值模拟方法，并建立了精确的数学模型用于计算塑料零件的悬浮姿态并反演内部缺陷信息。该方法可识别出零件内部2 mm3的孔洞缺陷，并能准确计算出缺陷的三维位置信息。相较于传统的无损检测方法（红外热成像、微型CT等），该方法操作简单、成本低、便于携带，在塑料制品无损检测方面具有极大的潜能。

图2 基于COMSOL、FLUENT、EDEM的多物理场耦合模型

图3塑料零件悬浮姿态模拟及其实验验证结果

塑料零件稳定悬浮时，系统势能达到最小值。研究人员利用最小势能原理、拉格朗日乘数法建立内部缺陷的反演算法。由于塑料零件的悬浮姿态与其内部缺陷位置密切相关，可以通过悬浮姿态反演计算得到缺陷位置信息，进而为产品质量控制提供缺陷的详细信息，相关研究工作为无损检测领域提供了新的思路和方法。

图4 缺陷位置反演计算

         参加2018年美国塑料工程师协会年会（ANTEC 2018, Orlando），并作邀请报告。研究论文被选为2018年度最佳论文（Third Best Paper Award），文章的第一学生作者是浙江大学硕士研究生夏能。