赫瑞瓦特大學(xué)發(fā)現(xiàn)一種方法，可減少金屬3D打印在制造過程中產(chǎn)生的缺陷

南極熊導(dǎo)讀，增材制造是3D打印的技術(shù)名稱，包含多種材料加工技術(shù)，其中最廣泛采用的是激光粉末床融合(LPBF)。它的工作原理是散布薄薄的金屬粉末顆粒層，這些金屬粉末顆粒通過高功率激光傳遞的強(qiáng)熱粘合在一起。但是這個(gè)過程會(huì)導(dǎo)致形成微小的孔隙，從而削弱整體結(jié)構(gòu)。

△圖中顯示了3D打印過程可能形成的缺陷。金屬物質(zhì)從輻照表面的蒸發(fā)導(dǎo)致形成凹陷（下）和羽流（上），它們最初是穩(wěn)定的，隨著能量在材料中積累而變得不穩(wěn)定

在3D打印中形成的空隙，對(duì)于整體結(jié)構(gòu)來說是一種致命的缺陷，特別是在制造批量高可靠性組件時(shí)。在過去三年中，來自愛丁堡赫瑞瓦特大學(xué)光子學(xué)和量子科學(xué)研究所的工程師們，通過研究LPBF工藝背后的基礎(chǔ)物理學(xué)，未來可實(shí)現(xiàn)減輕3D打印過程中產(chǎn)生的缺陷。

赫瑞瓦特光子學(xué)和量子科學(xué)研究所的研究員，Ioannis Bitharas博士解釋說： “我們的研究可視化了激光與金屬粒子相互作用時(shí)，觀察所有物質(zhì)狀態(tài)之間的相互作用。

△蒸汽演變分析：a測量的表面凹陷深度。在第一階段，鎖孔深度逐漸增加，快速鉆孔標(biāo)志著向第二階段的過渡。由于鎖孔的不穩(wěn)定性，隨著時(shí)間的推移，穿透力的波動(dòng)越來越大。b對(duì)于這兩個(gè)數(shù)據(jù)集，隨著系統(tǒng)趨于不穩(wěn)定，每一幀的總變化隨著時(shí)間的推移而增加。由于液-氣現(xiàn)象的強(qiáng)耦合，在兩個(gè)數(shù)據(jù)集中都可以看出鎖孔演化的I-III階段。

“在3D打印過程中，對(duì)金屬應(yīng)用高功率激光，會(huì)在顆粒融合在一起時(shí)產(chǎn)生少量液態(tài)金屬。在這個(gè)階段，少量金屬蒸發(fā)并壓在液體上，在熔池中心形成一個(gè)空腔。這個(gè)空腔，通常被稱為鎖孔，可能會(huì)變得不穩(wěn)定和塌陷，從而導(dǎo)致材料中出現(xiàn)孔隙。同時(shí)，蒸汽從鎖孔向上噴射，形成羽流，與顆粒相互作用并可能擾亂擴(kuò)散層。

“這種情況下，會(huì)造成散布在整個(gè)組件中的微小缺陷，從而導(dǎo)致許多制造商無法接受這種孔隙率水平。”他接著解釋說“我們捕獲的圖像，首次提供了此類交互的完整畫面，我們現(xiàn)在可以確定地知道發(fā)生了什么。”

△不同輸入能量密度下有粉末和無粉末的線掃描圖像比較

通過同時(shí)使用X射線和紋影成像，該團(tuán)隊(duì)分析了打印過程中存在的氣體、蒸汽、液相和固相之間的相互作用。他們發(fā)現(xiàn)通過金屬蒸發(fā)釋放的蒸汽羽流的行為與熔融材料的整體穩(wěn)定性之間存在直接聯(lián)系。羽流越動(dòng)態(tài)，材料越不穩(wěn)定和多孔。但通過微調(diào)激光參數(shù)，例如調(diào)整其功率、聚焦光斑大小和掃描速度，研究小組發(fā)現(xiàn)他們可以控制羽流和熔池的穩(wěn)定性，使打印結(jié)構(gòu)更加一致。

使用羽流作為可以可視化和監(jiān)控的“過程特征”，對(duì)于依賴高性能組件的各種行業(yè)（如航空航天、汽車、醫(yī)療保健和國防）具有很大的市場潛力。

該小組Andrew Moore教授說：“盡管3D打印技術(shù)前景廣闊，但打印部件中的缺陷，仍然阻礙了金屬3D打印發(fā)揮真正在的能力。迄今為止，人們往常研究的方向是根據(jù)，液態(tài)金屬或顆粒的行為檢測和預(yù)測缺陷，但是，往往忽略了熔池上方產(chǎn)生的蒸汽射流和羽流的影響。

△研究文章已發(fā)表在科學(xué)期刊Nature Communications上，題為“激光粉末床融合中氣相、液相和固相之間的相互作用”（在這可以獲取更多信息，點(diǎn)我傳送門）

https://www.nature.com/articles/s41467-022-30667-z

“通過我們的新發(fā)現(xiàn)，未來我們可以大大減少這些缺陷，并生產(chǎn)出故障可能性更低的組件。我們相信，這項(xiàng)工作將能夠創(chuàng)建出一種，可以改進(jìn)監(jiān)控和分析過程的工具，以識(shí)別和預(yù)防金屬3D打印制造中的缺陷。此外，它將支持更具有預(yù)測性的多物理模型，包括大氣影響和粉末運(yùn)動(dòng)，允許對(duì)過程分析，并進(jìn)行準(zhǔn)確的先驗(yàn)算法�！�

該研究得到了英國唯一的LPBF系統(tǒng)制造商Renishaw（雷尼紹）與赫瑞瓦特大學(xué)的戰(zhàn)略聯(lián)盟支持。后續(xù)該團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)深入研究，利用新發(fā)現(xiàn)來改進(jìn)3D打印工藝。