西北大學(xué)和阿貢國家實驗室用X射線檢測定向能沉積

來源：增材之光

雖然通過3D打印生成的結(jié)構(gòu)可能是迷人的、有形且極具啟發(fā)性，更不用說實際上的實用性。仍然會發(fā)現(xiàn)，技術(shù)背后的操作過程有點令人生畏，因為似乎不可能通過一些絲材、軟件和硬件來實現(xiàn)�？赡苓�會驚訝地發(fā)現(xiàn)，即使是非常習(xí)慣3D打印的研究人員也可能對某些內(nèi)部過程中發(fā)生的事情一無所知，特別是在使用激光/粉末組合時。

為了進一步了解，一個由西北大學(xué)和阿貢國家實驗室聯(lián)合起來的研究團隊開始研究3D打印期間發(fā)生的事情，而不是之后，在“壓電驅(qū)動定向能沉積增材制造的現(xiàn)場高速X射線成像”中發(fā)表他們的研究結(jié)果。作者指出，從歷史角度來看，以細(xì)微的細(xì)節(jié)監(jiān)控內(nèi)部流程一直是一項挑戰(zhàn)。中斷過程可能對最終產(chǎn)品有害。雖然我們已經(jīng)跟蹤了許多研究人員分析3D打印和獨特材料的不同實例，同時努力在AM中找到改進的策略，但這項研究顯然有不同的側(cè)重點：

研究人員表示：“對先進制造工藝進行監(jiān)控，以評估熱歷史、結(jié)構(gòu)和性能的變化，對于了解工藝過程中發(fā)生的物理現(xiàn)象和AM中內(nèi)置性能的閉環(huán)控制至關(guān)重要�！�

定向能沉積依賴于加熱的粉末顆粒，熔化以形成結(jié)構(gòu)層。這種制造方法越來越受歡迎，特別是在快速原型制造和部件維護方面。優(yōu)點包括更快和更好地固化打印物體，以及材料類型和使用的靈活性。

“然而，由于粉末沉積的復(fù)雜性及其在DED中的相互作用，監(jiān)測單個顆粒對熔池的影響以及由此產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)具有挑戰(zhàn)性。”研究人員表示，“在這項研究中，低成本的壓電驅(qū)動粉末輸送系統(tǒng)用于沉積單個顆粒，因為它們與移動的激光束相互作用，這是一種利用高速X射線成像來捕捉在電致發(fā)光期間激光物質(zhì)相互作用的基本物理現(xiàn)象的方法。

雖然壓電技術(shù)對許多人來說是個新的術(shù)語，但它涉及在壓力或其他作用下釋放電荷。我們在今年早些時候進行了一項關(guān)于壓電材料的研究，關(guān)于它們在開發(fā)各種不同傳感器和智能材料的3D打印方面的潛力。在這項最近的研究中，研究人員對利用X射線研究壓電定向能感興趣，以了解更多關(guān)于激光和粉末在3D打印過程中如何相互作用的信息。

在這次實驗中，該團隊設(shè)計了一個密封腔室，包括壓電驅(qū)動系統(tǒng)和所需的氬氣。

“觸發(fā)序列始于粉末輸送系統(tǒng)中壓電元件的致動，來自壓電元件的信號開啟激光器。 來自激光器的“開啟”信號通過移動振鏡掃描儀反射鏡開始激光掃描，“研究人員對觀察系統(tǒng)進行了陳述�！爱�(dāng)電流計反射鏡處于使激光束與壓電驅(qū)動的粉末輸送系統(tǒng)對齊的特定位置時，X射線快門打開，允許X射線光束進入腔室�！�

壓電振動使粉末流入激光和X射線束排列的區(qū)域。通過控制壓電振動的頻率和功率來建立用于控制流速的特定參數(shù)。跟蹤和評估任何孔隙度，以及濺射和相關(guān)的顆粒噴射。 進行此類成像實驗的最終希望是更多地了解DED工藝和所涉及的材料。

“在各種DED處理模式下顯示激光物質(zhì)相互作用的高速X射線圖像可以幫助驗證熱、熱流體動力學(xué)和熱力學(xué)模型�！毖芯咳藛T表示，“在重力作用下，粉末質(zhì)量流量較低，激光誘導(dǎo)的蒸汽羽流將顆粒從熔池中散射出來，速度高達10米/秒�！�

研究人員指出，大多數(shù)傳感器無法提供足夠的數(shù)據(jù)，并且不具備顯示DED快速冷卻過程所需的分辨率。在這項研究中，他們能夠找出孔隙度背后的一些原因，但指出需要更多的研究來理解粒子夾帶。

控制單個粒子相對于激光束的軌跡，可以得出關(guān)于粒子如何進入熔池的更確切的觀察結(jié)果。這項工作揭示了惰性載氣輔助顆粒流動的必要性。如果沒有載氣，大多數(shù)粒子會從熔池中散開，而載氣則允許粒子穿透激光誘導(dǎo)的蒸汽等離子體羽流。

“研究載氣壓力和速度影響的未來工作需要捕捉更具代表性的DED處理中的現(xiàn)象。耦合高分辨率熱監(jiān)測也有助于進一步了解冷卻，更具體地說，還有助于了解熔池的凝固行為�！�

來源：增材之光