研究人員找到預測金屬3D打印缺陷形成的方法

在3D打印過程中，如果氣體被困在供給3D打印機的金屬粉末內(nèi)，可能會出現(xiàn)微小的氣穴。 這些地區(qū)具有瑞士奶酪般的結(jié)構(gòu)，密度較小，比周圍環(huán)境弱，可能導致裂縫和其他故障。

來自卡內(nèi)基梅隆大學和美國能源部（DOE）阿貢國家實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。這些信息可以顯著改善3D打印工藝，他們的研究發(fā)表在上周的《科學》雜志上。
論文原文：http://science.sciencemag.org/content/363/6429/849

“本文的研究將轉(zhuǎn)化為更好的質(zhì)量和更好的機器控制，”卡內(nèi)基梅隆大學材料科學與工程教授，論文作者Anthony Rollett說。 “對于大多數(shù)公司來說，增材制造要真正起飛，我們需要提高成品的一致性。這項研究是朝這個方向邁出的重要一步�！�

科學家們在美國能源部科學用戶設施辦公室Argonne的先進光子源（APS）上使用了極其明亮的高能X射線，拍攝了超高速視頻和激光融合（LPBF）過程的圖像，其中激光用于將材料粉末熔化并融合在一起。

激光掃描每層粉末熔化金屬，從字面上創(chuàng)造出從頭開始的成品。當微小的氣穴被困在這些層中時，就會形成缺陷。這些缺陷會導致瑕疵，導致最終產(chǎn)品出現(xiàn)裂縫或其他故障。

到目前為止，制造商并不太了解激光如何讓金屬產(chǎn)生了氣孔。然而，他們認為故障在于金屬粉末的類型或激光的強度。因此，制造商一直在使用不同類型的金屬和激光的反復試驗方法來尋求減少缺陷。

事實上，研究表明，無論是激光還是金屬，這些蒸汽凹陷都存在于該工藝的幾乎所有條件下。

Rollett說：“我們正在揭開面紗，揭示真實情況，大多數(shù)人認為你在金屬粉末表面照射激光，光線被材料吸收，并將金屬熔化成熔池。實際上，你真的在​​金屬上鉆一個洞。“

阿貢國家實驗室先進的光子源設施。 （圖片由卡內(nèi)基梅隆大學提供）

通過使用世界上最強大的同步加速器設備之一，研究人員觀察到，研究人員觀察了當激光穿過金屬粉末床時會發(fā)生什么。

在完美條件下，熔池形狀是淺的和半圓形的，稱為“傳導模式”。但在實際打印過程中，通常以低速移動的高功率激光器可以將熔池形狀改變?yōu)槟撤N形狀。 像一個鎖孔中的鑰匙孔：圓形和大的頂部，底部有一個狹窄的尖刺。 這種“鎖孔模式”熔化可能潛在地導致最終產(chǎn)品中的缺陷。

該圖像是在阿貢國家實驗室的同步加速器下拍攝的，顯示了在金屬3D打印過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”出一個孔。 （圖片由卡內(nèi)基梅隆大學提供。）

“基于這項研究，我們現(xiàn)在知道鎖孔現(xiàn)象在很多方面比在增材制造中使用的粉末更重要，”最近畢業(yè)于卡內(nèi)基梅隆大學的Ross Cunningham說，他是共同第一作者之一�！拔覀兊难芯勘砻鳎�您可以預測導致鑰匙孔的因素 - 這意味著您也可以隔離這些因素以獲得更好的結(jié)果�！�

研究表明，當達到足以使金屬沸騰的某個激光功率密度時，會形成鍵孔。反過來，這反映了激光焦點在增材制造過程中的至關重要性，這是迄今為止受到很少關注的一個因素，研究團隊表示。

“由于Argonne開發(fā)的專業(yè)能力，這種細節(jié)第一次能夠看到鑰匙孔現(xiàn)象，”Argonne物理學家和論文作者Tao Sun說。 “當然，APS強烈的高能X射線束是關鍵�！�

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提供更大的靈活性，并且機器的改進使用可以導致最終產(chǎn)品的顯著改進。

“這很重要，因為一般來說3D打印速度相當慢，”Rollett說。 “打印一個幾英寸高的部件需要幾個小時。如果你有能力支付這項技術，那就沒關系，但我們需要做得更好。”

編譯自：3ders