最新《Science》：填補3D打印領(lǐng)域空白，消除了過大的回濺和穩(wěn)定熔池動態(tài)

來源：材料科學(xué)與工程

導(dǎo)讀：減少濺射是激光粉末床熔合增材制造中的一個優(yōu)先考慮的事項。本文作者使用了一個高保真多物理模型，并通過原位X射線和其他實驗對其進行了驗證，發(fā)現(xiàn)了一種新型濺射誘導(dǎo)缺陷的形成機制，消除了過大的回濺和穩(wěn)定熔池動態(tài)。這種結(jié)合高保真多物理仿真技術(shù)與現(xiàn)場診斷技術(shù)的方法，將是促進制造業(yè)發(fā)展并推動工業(yè)4.0革命的不可或缺手段。

如今，最先進的金屬3D打印機有望徹底改變制造業(yè)，但它們還沒有達到最佳的運行可靠性，原因在于復(fù)雜的激光-粉末-熔池之間相互依賴的動力學(xué)關(guān)系。近日，來自美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的SaadA. Khairallah等人利用高保真模擬，同時結(jié)合同步加速器實驗，在中納秒尺度上捕捉快速的多瞬態(tài)動力學(xué)，并發(fā)現(xiàn)取決于掃描策略和激光跟蹤與驅(qū)逐之間的競爭的新型濺射誘導(dǎo)缺陷的形成機制。相關(guān)論文以題為“Controlling interdependent meso-nanosecond dynamics and defect generation in metal 3D printing”5月8日發(fā)表在Science上。同時Science還配有一篇評述文章，題目為“Closing the science gap in 3D metal printing”。

論文鏈接https://science.sciencemag.org/content/368/6491/660

激光粉末床熔合增材制造（L-PB FAM）技術(shù)利用激光束掃描微觀（~15至100 μm）金屬粉末平板上的二維圖案，形成熔池軌道與下層熔合，重復(fù)分層過程數(shù)千次就會構(gòu)建一個3D對象。因此，很有必要了解和控制激光工藝參數(shù)與復(fù)雜粉末和熔池動力學(xué)之間的相互依賴性，這有助于解決可變性問題，即打印零件不能重復(fù)達到合格和認證步驟所需的標準。這種可變性是由于在每一層掃描過程中，在粉末層和熔池中隨機產(chǎn)生的各種缺陷（如氣孔）的累積造成的。粉末層的研究揭示了由蒸汽驅(qū)動的粉末動力學(xué)，以每秒數(shù)百米的速度逃離熔池凹陷。這種高蒸氣通量產(chǎn)生了復(fù)雜的氣體流動，將松散的粉末顆粒包裹在激光軌道兩側(cè)。這一過程有時導(dǎo)致大的缺乏粉末的剝蝕區(qū)，并導(dǎo)致85%的粒子濺射觀察到火花到肉眼。因此，減少濺射是激光粉末床熔合增材制造中的一個優(yōu)先考慮的事項。目前，生產(chǎn)沒有這些缺陷的零件仍然具有挑戰(zhàn)性，探測熔池是通過超高速X射線技術(shù)完成的，但這些技術(shù)仍然缺乏足夠的空間和時間分辨率來充分捕捉熔池形態(tài)和微孔的超快動力學(xué)。

在本文中，作者使用了一個高保真多物理模型，并通過原位X射線和其他實驗對其進行了驗證。同時因為使用了全激光跟蹤，使得模型提供了2μm尺度的3D溫度、速度和其他數(shù)據(jù)，并且具有預(yù)測性。流體力學(xué)與納秒尺度上的熱擴散耦合，以準確捕捉高度動態(tài)和非線性的激光-粉末和激光-熔池相互作用。然后，作者將可變性問題與瞬態(tài)物理狀態(tài)聯(lián)系起來，這樣的建模結(jié)果提供了一個減少濺射，減少空洞和提高L-PBF部件可靠性的策略。

圖1.復(fù)激光粉末吸收率

圖2.激光噴射、自我復(fù)制和陰影機制造成的飛濺缺陷

圖3.控制軌道飛濺、孔隙和軌道凍結(jié)凹陷結(jié)束的穩(wěn)定性判據(jù)

圖4.在轉(zhuǎn)換掃描策略中控制瞬態(tài)鎖孔缺陷

總的來說，這項工作減少了可變性問題控制的由復(fù)雜激光-粉末-熔池相互依賴動力學(xué)產(chǎn)生的隨機事件。作者通過穩(wěn)定判據(jù)設(shè)定了功率的上限，同時消除了過大的回濺和穩(wěn)定熔池動態(tài)。高保真多物理仿真技術(shù)與現(xiàn)場診斷技術(shù)相結(jié)合，將是引入穩(wěn)定標準以促進制造業(yè)發(fā)展并推動工業(yè)4.0革命的不可或缺的手段。