LLNL研究人員使用X射線成像來減輕金屬3D打印部件的缺陷

來源：中國(guó)3D打印網(wǎng)

勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL），SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室（SLAC）和艾姆斯實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家正在研究X射線成像，以檢查激光粉末床融合過程中的金屬部件。該研究論文是實(shí)驗(yàn)室之間合作的一部分，旨在確定金屬3D打印部件缺陷的原因，并了解如何減輕這些缺陷。

勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員（左起）Phil Depond，Nick Calta，Aiden Martin和Jenny Wang。照片來自LLNL。

為了實(shí)施該項(xiàng)目，LLNL研究員Nick Calta及其團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種便攜式診斷機(jī)，能夠使用X射線成像探測(cè)金屬3D打印過程。該機(jī)器最終幫助研究人員對(duì)金屬添加劑制造工藝有了新的見解。 “絕大多數(shù)診斷使用可見光，這些非常有用，但也僅限于分析零件的表面，”Calta解釋說。“如果我們真的要理解這個(gè)過程并看到導(dǎo)致瑕疵的原因，我們需要通過這個(gè)樣本進(jìn)行探測(cè)。這個(gè)儀器允許我們這樣做�！�

實(shí)驗(yàn)室之間的多年合作伙伴關(guān)系由能源部（DOE）的能源效率和可再生能源（EERE）先進(jìn)制造辦公室提供資金。 SLAC和AMES都是DOE實(shí)驗(yàn)室，LLNL也主要由聯(lián)邦機(jī)構(gòu)資助。實(shí)驗(yàn)室之間的合作是美國(guó)能源部國(guó)家實(shí)驗(yàn)室大創(chuàng)意峰會(huì)（BIS）的一個(gè)分支。

DOE的BIS是一年一度的活動(dòng)，旨在培養(yǎng)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室綜合體的協(xié)作和戰(zhàn)略技術(shù)規(guī)劃。三個(gè)實(shí)驗(yàn)室之間建立的合作項(xiàng)目反映了BIS，SLAC貢獻(xiàn)其X射線技術(shù)，Ames實(shí)驗(yàn)室提供粉末，金屬和材料科學(xué)方面的專業(yè)知識(shí)。 “這是一個(gè)非常好的團(tuán)隊(duì)，因?yàn)槊總�(gè)合作伙伴都會(huì)帶來力量，”LLNL材料科學(xué)部S＆T副部門主管Tony Van Buuren說�！霸搱F(tuán)隊(duì)正在構(gòu)建一種獨(dú)特的功能，并提供您無法通過其他任何方式獲得的信息。我們一起引入了診斷技術(shù)，融入了科學(xué)，并開始研究新材料�！�

EOS 3D打印機(jī)上激光粉末床熔合（LPBF）添加劑制造工藝的一個(gè)例子。通過EOS拍照

使用X射線成像識(shí)別金屬AM部件中的孔隙
便攜式診斷機(jī)專門設(shè)計(jì)用于在激光粉末床熔合過程中觀察和探測(cè)熔池。熔池是激光與金屬粉末接觸的區(qū)域，能夠熔合并產(chǎn)生形成3D打印部件的層。由于研究項(xiàng)目的激進(jìn)時(shí)間表，它原位組裝，并且證明難以構(gòu)建。為了確保儀器按照研究意圖運(yùn)行，LLNL團(tuán)隊(duì)必須將其運(yùn)輸?shù)絊LAC。然后安裝了SLAC的“同步加速器”，這是制作高能X射線以研究樣品所必需的。在SLAC的Stanford Synchrotron Radiation Lightsource使用該機(jī)器，研究人員能夠成功地觀察到表面下熔池的動(dòng)態(tài)變化。它提供了有關(guān)成像和X射線衍射組合的有意義的數(shù)據(jù)，這有助于研究人員觀察和了解激光粉末床融合過程中金屬如何凝固，這是部件強(qiáng)度的關(guān)鍵決定因素。

“成功將更多地了解物理學(xué)，讓我們修改過程以避免缺陷，到目前為止，我們的結(jié)果很有希望。我們希望繼續(xù)優(yōu)化儀器并將其應(yīng)用于不同的材料系統(tǒng)。我們已經(jīng)擁有了大量基于光學(xué)數(shù)據(jù)的知識(shí)，這使我們能夠分支出來并補(bǔ)充這些知識(shí)�！�

LLNL物理學(xué)家Ibo Matthews表示，觀察熔池的層形成過程以及X射線圖像與模擬的比較的能力已經(jīng)證實(shí)了先前做出的預(yù)測(cè)。這些預(yù)測(cè)激光的路徑，熱量積聚和激光產(chǎn)生的氣體羽流會(huì)在印刷部分產(chǎn)生缺陷，如毛孔，這會(huì)在受到壓力時(shí)導(dǎo)致部件開裂。研究人員表示，通過建模和詳細(xì)實(shí)驗(yàn)來編譯缺陷知識(shí)可能有助于加速金屬3D打印的改進(jìn)。