科學(xué)家研究預測3D打印機缺陷氣穴形成的方法

　　在3D打印過(guò)程中，如果氣體被困在供給3D打印機的金屬粉末內，可能會(huì )出現微小的氣穴。這些區域具有瑞士奶酪般的結構，密度較小，比周?chē)h(huán)境弱，可能導致裂縫和其他故障。

　　阿爾貢科學(xué)家在專(zhuān)業(yè)系統前，可以在商業(yè)3D打印機中模擬激光粉末床融合過(guò)程。從左上方順時(shí)針?lè )较蚺臄z的是APS光束線(xiàn)科學(xué)家Kamel Fezzaa; 孫濤，APS光束科學(xué)家; APS博士后的Niranjan Parab。

　　來(lái)自卡內基梅隆大學(xué)和美國能源部（DOE）阿爾貢國家實(shí)驗室的研究小組已經(jīng)確定了這些氣穴，并創(chuàng )建了一種預測氣穴形成的方法。這些信息極大地改善了3D打印過(guò)程。他們的研究發(fā)表在上周的《科學(xué)》雜志上。

　　圖片來(lái)源：阿爾貢國家實(shí)驗室

　　“本文的研究將轉化為更好的質(zhì)量和更好的機器操控?！笨▋然仿〈髮W(xué)材料科學(xué)與工程教授、論文作者安東尼·羅利特說(shuō)，“為了使增材制造幫助大多數公司騰飛，我們需要提高成品的一致性。這項研究是朝這個(gè)方向邁出的重要一步?！?/p>

　　科學(xué)家們利用阿爾貢先進(jìn)光子源（APS）（美國能源部科學(xué)用戶(hù)設施辦公室）的超高亮度高能X射線(xiàn)，拍攝了一種叫做激光動(dòng)力床融合（LPBF）過(guò)程的超快速視頻和圖像，其中激光被用來(lái)熔化和融合材料粉末。

　　激光掃描每層粉末，在必要時(shí)熔化金屬，從地面上直接產(chǎn)生成品。當微小的氣穴被困在這些層中時(shí)，就會(huì )形成缺陷。這些缺陷會(huì )導致瑕疵，從而導致最終產(chǎn)品出現裂縫或其他故障。

　　到目前為止，制造商并不太了解激光是如何鉆入金屬的，從而產(chǎn)生稱(chēng)為“蒸汽凹陷”的空腔。然而，他們認為問(wèn)題在于金屬粉末的類(lèi)型或激光的強度。因此，制造商一直在使用不同類(lèi)型的金屬和激光，用反復試驗的方法來(lái)減少缺陷。

　　阿爾貢國家實(shí)驗室先進(jìn)的光子源設施（圖片由卡內基梅隆大學(xué)提供）

　　事實(shí)上，研究表明，無(wú)論是激光還是金屬，在這一過(guò)程中，幾乎所有的條件下都存在這些蒸汽凹陷。更重要的是，該研究表明如何預測一個(gè)小凹陷何時(shí)會(huì )發(fā)展為一個(gè)不穩定的大凹陷，這可能會(huì )造成缺陷。

　　“我們正在揭開(kāi)神奇的面紗，揭示真實(shí)情況?！绷_利特說(shuō)，“大多數人認為你在金屬粉末表面照射激光，光線(xiàn)被材料吸收，并將金屬熔化成熔池。 實(shí)際上，你在金屬上鉆一個(gè)洞?！?/p>

　　通過(guò)使用世界上最強大的同步加速器設備之一，研究人員觀(guān)察了激光穿過(guò)金屬粉末床產(chǎn)生每一層產(chǎn)品時(shí)所發(fā)生的情況。

　　在完美條件下，熔池形狀是淺而半圓形的，稱(chēng)為“傳導模式”。但在實(shí)際打印過(guò)程中，大功率激光，往往以低速移動(dòng)，可以將熔池形狀改變?yōu)槟撤N形狀。像一個(gè)鎖上的鎖孔：頂部圓形大，底部有一個(gè)狹窄的尖刺。這種“鎖孔模式”熔化可能導致最終產(chǎn)品出現缺陷。

　　該圖像是在阿爾貢國家實(shí)驗室的同步加速器下拍攝的，顯示了在金屬3D打印機打印過(guò)程中即將形成的鑰匙孔空隙。在激光粉末床熔合期間，3D打印機在金屬上“鉆”出一個(gè)孔。

　?。▓D片由卡內基梅隆大學(xué)提供）

　　“基于這項研究，我們現在知道鎖孔現象在很多方面比在增材制造中使用的粉末還重要?！弊罱厴I(yè)于卡內基梅隆大學(xué)的Ross Cunningham說(shuō)，他是這篇論文的合著(zhù)者之一。 “我們的研究表明，您可以預測導致鑰匙孔生成的因素 - 這意味著(zhù)您也可以隔離這些因素以獲得更好的結果?！?/p>

　　研究表明，當達到足以使金屬沸騰的某個(gè)激光功率密度時(shí)，會(huì )形成鍵孔。研究團隊表示，這反過(guò)來(lái)，反映了激光焦點(diǎn)在增材制造過(guò)程中的至關(guān)重要性，這是迄今為止受到很少關(guān)注的一個(gè)因素。

　　“由于阿爾貢人的專(zhuān)業(yè)開(kāi)發(fā)能力，這種細節第一次能夠看到鑰匙孔現象?！卑栘曃锢韺W(xué)家和論文作者Tao Sun說(shuō)， “當然，APS的高能X射線(xiàn)束是關(guān)鍵?！?/p>

　　該研究團隊認為，這項研究可以激勵增材制造機器的制造商在控制機器時(shí)提供更大的靈活性，并且機器的改進(jìn)使用將導致最終產(chǎn)品的顯著(zhù)改進(jìn)。

　　“這一點(diǎn)很重要，因為一般來(lái)說(shuō)，3D打印機速度相當慢?！绷_利特說(shuō)，“打印一個(gè)幾英寸高的部件需要幾個(gè)小時(shí)。如果您有能力支付這項技術(shù)，那就沒(méi)關(guān)系，但我們需要做得更好?！?/p>