LLNL研發(fā)檢測(cè)金屬3D打印缺陷新技術(shù)，時(shí)間僅需幾分鐘

2022年4月29日，南極熊獲悉，勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)的研究人員，開(kāi)發(fā)了一種基于激光超聲波(SAW)的檢測(cè)新方法，它可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)激光粉末床熔合(LPBF)金屬3D打印中的微小表面和亞表面缺陷。

△金屬3D打印示例圖。圖片來(lái)自Goolge

該團(tuán)隊(duì)宣稱(chēng)說(shuō)，他們開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)可以快速檢測(cè)激光熔池、空隙和表面特征，可達(dá)到有效和準(zhǔn)確地評(píng)估激光熔線（激光在LPBF打印中液化金屬粉末的軌跡）；使用光學(xué)顯微鏡和X射線斷層掃描(CT)驗(yàn)證了這些發(fā)現(xiàn)。

研發(fā)目的
LLNL工程師兼首席研究員David Stobbe說(shuō)：“我們希望這項(xiàng)研究能夠證明全光學(xué)超聲系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確的對(duì)LPBF和粉末工藝進(jìn)行原位表征分析。” “基于激光的超聲、表面聲波系統(tǒng)對(duì)表面和近表面特征表現(xiàn)出極好的敏感性，包括LPBF熔線斷裂、金屬表面飛濺和內(nèi)部氣孔都可以檢測(cè)。”

聲波歷來(lái)被用于工程材料中的裂縫、凹坑和焊縫等表面和近表面特征分析，并在地質(zhì)學(xué)中用于檢測(cè)洞穴等地下特征。據(jù)研究人員稱(chēng)，由于SAW具有表面和近表面的敏感特性，非常適合分析LPBF打印中的激光熔池。

△實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與模擬結(jié)果和熔體線幾何形狀的光學(xué)測(cè)量結(jié)果非常吻合。獲取論文更多信息：Kathryn Jinae Harke等人，《先進(jìn)制造材料中表面和亞表面特征基于激光的超聲分析》，科學(xué)報(bào)告(2022)。 DOI：10.1038/s41598-022-07261-w（點(diǎn)我傳送門(mén)）

上圖測(cè)試結(jié)果注釋?zhuān)? a )熔融池的光學(xué)圖像。由于光束邊緣中斷，在y = 13 mm附近觀察到熔線斷裂。( b )模擬熔體線斷裂附近的位移。觀察到來(lái)自熔化線末端和起點(diǎn)的拋物線散射以及來(lái)自熔化線的平面反射間隙。( c )沿樣品的y軸掃描時(shí)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的法向位移。在y = 13 mm附近，熔化線的平面反射中斷很明顯。( d ) ( c )中圖像的放大部分，顯示熔線末端的拋物線散射、熔線起點(diǎn)的微弱拋物線散射和熔線中的間隙。

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)
為了測(cè)試這種技術(shù)潛力，LLNL團(tuán)隊(duì)通過(guò)使用指向真空室的光纖激光器生產(chǎn)激光熔化線進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并生產(chǎn)了鈦合金樣品，分別使用100瓦、150瓦和350瓦功率的激光器進(jìn)行分析。同時(shí)，他們開(kāi)發(fā)了一種產(chǎn)生和檢測(cè)表面聲波的方法，使用脈沖激光產(chǎn)生超聲波，并用光折變激光干涉儀測(cè)量位移。

隨后，該團(tuán)隊(duì)還進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。他們模擬并測(cè)量了脈沖激光的位移，并顯示了熔體線的散射，以及熔體線的斷裂、熔體線附近的金屬飛濺物和熔體線下方的氣孔。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量了相同的特征，并驗(yàn)證模擬和實(shí)驗(yàn)具有一致性。

△由其他平臺(tái)檢測(cè)的3D打印金屬零件。照片來(lái)自Sigma實(shí)驗(yàn)室

全光學(xué)超聲(LBU)具有時(shí)間成本優(yōu)勢(shì)
基于激光的超聲(LBU)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)光學(xué)顯微鏡對(duì)表面特征和X射線PC斷層掃描，對(duì)亞表面特征進(jìn)行了驗(yàn)證。研究人員報(bào)告說(shuō)，與X射線CT相比，LBU系統(tǒng)“能夠更好地執(zhí)行實(shí)時(shí)檢查，并且可以更快地獲取和處理數(shù)據(jù)”。

LLNL工程師和主要作者Kathryn Harke說(shuō)：“與傳統(tǒng)的X射線CT相比，使用基于激光的超聲顯著縮短了表層下空隙檢測(cè)的時(shí)間，從幾天縮短到幾分鐘。” “雖然該技術(shù)距離真正的實(shí)際應(yīng)用還有很多的工作要做，但這個(gè)發(fā)現(xiàn)讓我們非常興奮�！�

實(shí)驗(yàn)室研究人員表示，雖然該方法非常適用于LPBF打印，但目前可檢測(cè)空隙的大小和深度還存在限制，未來(lái)還需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。