《Nature Communications》：利用陶瓷納米顆�？刂平饘�3D打印缺陷

南極熊導讀：2022年3月16日University of Wisconsin–Madison（威斯康星大學麥迪遜分校）教授Lianyi Chen和他的科研團隊在激光粉末床熔合（LPBF）3D打印技術(shù)上進行了升級改良，利用陶瓷納米顆粒消除金屬3D打印過程中產(chǎn)生的大飛濺物體，從而控制金屬3D打印中產(chǎn)生的缺陷。

與傳統(tǒng)制造方法相比，3D打印技術(shù)在生產(chǎn)形狀非常復雜的金屬部件具有極佳的優(yōu)勢，激光粉末床熔合是一種用于制造金屬部件的3D打印技術(shù)，設(shè)計靈活、資源有效利用率高。其主要優(yōu)點是以合理的高分辨率生產(chǎn)多個零件，甚至是大型零件。

△激光粉末床熔合（LPBF）3D打印示意圖。圖片來自Google

LPBF材料因制造過程中飛濺物易于形成各種類型的孔隙和裂縫，易于產(chǎn)生疲勞行為。這些缺陷會嚴重影響成品部件的強度和耐用性。

威斯康星大學麥迪遜分校機械工程助理教授Lianyi Chen說，“使用金屬3D打印，我們無法始終如一地生產(chǎn)出與傳統(tǒng)工藝相同的高質(zhì)量和可靠性部件，這意味著我們時刻擔心在關(guān)鍵或承重應用中使用3D打印部件而出現(xiàn)不可避免的故障問題。這個質(zhì)量問題是全面推行金屬3D打印的最大障礙�！保ɡ�如，航空航天、醫(yī)療、國防等）

△Lianyi Chen教授（左）和博士生Luis Escano和Minglei Qu（右）在實驗室工作。圖片來自RENEE MEIL LER

現(xiàn)在，Chen和他的學生們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種方法，通過改良激光粉末床融合3D打印技術(shù)，可顯著降低金屬部件缺陷。他們在最近發(fā)表在《自然通訊》雜志上的一篇論文中詳述了他們的發(fā)現(xiàn)。

“我們研究了一種金屬3D打印技術(shù)更加可靠的辦法，使其能夠生產(chǎn)出一致的、無缺陷的零件，”Chen說�！笆褂梦覀儶毺氐姆椒�，能夠打印出一個幾乎完美的金屬部件且沒有缺陷，并且質(zhì)量可以與商業(yè)制造部件相媲美。”這是一個可以解決金屬3D打印長期以來一直存在的問題，并為廣泛推廣這種制造技術(shù)打開了一扇門。

南極熊獲悉激光粉末床熔合使用聚焦的高能激光束選擇性地熔化金屬粉末的薄層，從而將計算機輔助設(shè)計模型直接轉(zhuǎn)換為零件。然而，粉末床的聚焦激光加熱會造成嚴重的工藝不穩(wěn)定性，蒸氣射流的高速向上蒸氣流將粉末和液滴噴射出去，形成飛濺物。并誘導周圍氣體流向激光束，從而引起粉末夾帶。這種不穩(wěn)定性從而導致3D打印的過程中產(chǎn)生各種缺陷。

△通過納米粒子來消除LPBF制造中的大飛濺物，圖片來自《Nature Communications》

使用陶瓷納米顆粒來穩(wěn)定控制3D打印激光粉末床融合制造過程中出現(xiàn)缺陷，研究人員對該技術(shù)這樣概述。通過在金屬粉末上涂上陶瓷納米顆粒，研究人員可以控制這些不穩(wěn)定性。利用高速同步X射線成像和數(shù)據(jù)分析，他們發(fā)現(xiàn)納米顆粒涂層穩(wěn)定了熔池，防止液滴噴出來，可避免形成更大的飛濺。

△微觀結(jié)構(gòu)和性能，圖片來自《Nature Communications》

當我們引入納米粒子時，我們發(fā)現(xiàn)它們使液滴的表面似乎形成了一層護甲，所以當它們相撞時，它們并沒有融合在一起，該研究的主要研究者Minglei Qu表示。這是我們第一次能夠有效去除大飛濺問題。

該技術(shù)除了應用在3D打印技術(shù)以外，Chen表示，這項技術(shù)的進步可能會帶來廣泛的應用改進，包括激光拋光、激光熔覆、焊接、鑄造和流體穩(wěn)定性控制等。

該研究的其他作者包括Qilin Guo、Luis I. Escano、Ali Nabaa、s . Mohammad H. Hojjatzadeh和Zachary A. Young，他們都是Chen實驗室的研究生。

另外這項研究得到了美國國家科學基金會和威斯康星大學麥迪遜創(chuàng)業(yè)基金的資助。

利用陶瓷納米顆�？刂平饘�3D打印缺陷文獻鏈接

https://www.nature.com/articles/s41467-022-28649-2#ethics