研究人員對(duì)激光束粉末床熔融3D打印中的收縮孔隙率提出新的解釋

2024年２月27日，南極熊獲悉，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)和匹茲堡大學(xué)的研究人員宣稱，針對(duì)激光束粉末床熔融（PBF-LB）收縮孔隙缺陷問(wèn)題提出了一種新的理論。

△該研究已在Acta Materialia雜志上發(fā)表，題目為“激光粉末床熔融增材制造中收縮孔隙率的機(jī)械解釋”（傳送門）

研究背景

研究人員本打算仔細(xì)研究PBF-LB工藝參數(shù)如何影響微觀結(jié)構(gòu)，卻意外發(fā)現(xiàn)了在該工藝中被忽視的制造缺陷。

收縮孔隙是金屬鑄造中常見(jiàn)的缺陷，通常在金屬?gòu)囊后w轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w時(shí)形成。在傳統(tǒng)金屬鑄件中，Niyama準(zhǔn)則可用于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)縮松的形成。然而，此前尚未探索過(guò)將這種方法用于PBF-LB。此外，在這項(xiàng)研究之前，還沒(méi)有已知的啟發(fā)式方法，可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)激光束粉末床熔融3D打印中的收縮孔隙率。

研究人員通過(guò)微觀結(jié)構(gòu)表征和分析傳熱模型，成功為PBF-LB 3D打印中收縮孔隙的形成提供了新的解釋。

經(jīng)過(guò)研究，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)Niyama準(zhǔn)則在有效預(yù)測(cè)金屬3D打印過(guò)程中縮孔的發(fā)生方面存在局限。此外，研究發(fā)現(xiàn)激光功率、掃描速度和沉積溫度等3D打印工藝參數(shù)直接影響收縮孔隙率。

結(jié)論表明，基于凝固冷卻速率的新模型，可以可靠地預(yù)測(cè)PBF-LB增材制造中的縮孔率。該團(tuán)隊(duì)還發(fā)布了收縮孔隙率流程圖，可通過(guò)調(diào)整3D打印參數(shù)來(lái)降低收縮孔隙率。

卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)械工程系助理教授Sneha Prabha Narra表示：“這是首次有人基于凝固和L-PBF加工原理來(lái)解釋縮孔的發(fā)生。我們還能夠?qū)⑵溆成錇榧庸�條件的函數(shù)，并以研究人員和工程師易于理解的形式呈現(xiàn)這些信息。這一成果得益于項(xiàng)目的跨學(xué)科和協(xié)作性質(zhì)�！�

△收縮孔隙率研究的圖形摘要

克服LB-PBF中的收縮孔隙率

在金屬冷卻和凝固時(shí)，由于體積收縮，可能會(huì)出現(xiàn)縮孔現(xiàn)象。如果這種收縮沒(méi)有被剩余的液態(tài)金屬填補(bǔ)，由于金屬流動(dòng)路徑被凝固的微觀結(jié)構(gòu)堵塞，最終的部件可能會(huì)出現(xiàn)多孔缺陷。這種缺陷會(huì)影響機(jī)械性能，導(dǎo)致泄漏，并最終降低金屬部件的功能和可靠性。

在逐層PBF-LB 3D打印過(guò)程中，如果這些縮孔出現(xiàn)在表面附近，可以通過(guò)重熔或在3D打印后的加工中去除。然而，如果孔隙形成于金屬深處，則無(wú)法去除。

研究合著者Frieden Templeton解釋道：“這些缺陷發(fā)生在微觀結(jié)構(gòu)的尺度上，如果你沒(méi)有預(yù)料到它們，真的很難發(fā)現(xiàn)。使用光學(xué)顯微鏡，它們通常看起來(lái)像小的拋光劃痕。”

通過(guò)研究，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)PBF-LB中的縮孔主要是由二次枝晶臂生長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)的，二次枝晶臂生長(zhǎng)是在金屬微觀結(jié)構(gòu)凝固時(shí)發(fā)生的。

在測(cè)試過(guò)程中，研究人員在一系列激光功率、掃描速度和沉積溫度下，使用EOS M 290 3D打印機(jī)打印了大量PBF-LB合金718零件。然后，將結(jié)果添加到數(shù)據(jù)集中，用于調(diào)查零件質(zhì)量。

研究小組發(fā)現(xiàn)，收縮孔隙的嚴(yán)重程度與某些3D打印加工條件（例如激光功率、掃描速度和沉積溫度）之間存在明顯的相關(guān)性。隨著溫度和激光功率的增加以及掃描速度的降低，縮孔變得更加嚴(yán)重，并且在熔池中形成得更深。

利用這些發(fā)現(xiàn)，研究人員在他們的研究結(jié)果中展示了收縮孔隙率過(guò)程圖。這些可以在金屬增材制造的工藝設(shè)計(jì)和控制階段加以利用，使制造商能夠通過(guò)3D打印參數(shù)來(lái)減少和防止縮孔。

Templeton補(bǔ)充道：“這將對(duì)研究人員和制造商產(chǎn)生特別大的影響，因?yàn)樗麄冋�致力于開(kāi)發(fā)工藝參數(shù)，以便在接近 500°C 的高溫下進(jìn)行打印，以及打印易受局部溫度升高影響的復(fù)雜幾何形狀。”

△凝固金屬中收縮孔隙形成的圖示

研究增強(qiáng)粉末床熔融3D打印技術(shù)

德國(guó)弗勞恩霍夫應(yīng)用研究院L-PBF負(fù)責(zé)人Philipp Kohlwes解釋了激光束成型研究，將如何提高３D打印工藝40％的穩(wěn)定性。

根據(jù)Kohlwes的說(shuō)法，傳統(tǒng)激光器的高斯曲線會(huì)造成能量分布不均，中間能量過(guò)多。這可能導(dǎo)致材料汽化或在熔池周圍產(chǎn)生壓力梯度，從而造成飛濺。激光的加熱過(guò)程還會(huì)在光束路徑周圍產(chǎn)生電流，將半燒結(jié)顆粒拉回熔池。

為了克服這些挑戰(zhàn)，Kohlwes解釋了如何創(chuàng)建不同形狀的激光束，以實(shí)現(xiàn)更均勻的能量分布。例如，“甜甜圈形輪廓”可以使熔池中的溫度分布更加一致。更均勻的能量輸入最終會(huì)在熔池中產(chǎn)生更多能量。這就在保持工藝穩(wěn)定性的同時(shí)，提高了生產(chǎn)率，降低了成本。

Kohlwes在強(qiáng)調(diào)光束成型研究所帶來(lái)的潛力時(shí)說(shuō)：“激光光束輪廓與相應(yīng)應(yīng)用的匹配度越高，能量輸入和相關(guān)工藝的穩(wěn)定性就越好。”