研究人員對激光束粉末床熔融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)基梅隆大學和匹茲堡大學的研究人員宣稱，針對激光束粉末床熔融（PBF-LB）收縮孔隙缺陷問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械解釋”（傳送門）

研究背景

研究人員本打算仔細研究PBF-LB工藝參數(shù)如何影響微觀結構，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的缺陷，通常在金屬從液體轉變?yōu)楣腆w時形成。在傳統(tǒng)金屬鑄件中，Niyama準則可用于準確預測縮松的形成。然而，此前尚未探索過將這種方法用于PBF-LB。此外，在這項研究之前，還沒有已知的啟發(fā)式方法，可以準確預測激光束粉末床熔融3D打印中的收縮孔隙率。

研究人員通過微觀結構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)過研究，研究團隊發(fā)現(xiàn)Niyama準則在有效預測金屬3D打印過程中縮孔的發(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。

結論表明，基于凝固冷卻速率的新模型，可以可靠地預測PBF-LB增材制造中的縮孔率。該團隊還發(fā)布了收縮孔隙率流程圖，可通過調整3D打印參數(shù)來降低收縮孔隙率。

卡內(nèi)基梅隆大學機械工程系助理教授Sneha Prabha Narra表示：“這是首次有人基于凝固和L-PBF加工原理來解釋縮孔的發(fā)生。我們還能夠將其映射為加工條件的函數(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。這一成果得益于項目的跨學科和協(xié)作性質�！�

△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，由于體積收縮，可能會出現(xiàn)縮孔現(xiàn)象。如果這種收縮沒有被剩余的液態(tài)金屬填補，由于金屬流動路徑被凝固的微觀結構堵塞，最終的部件可能會出現(xiàn)多孔缺陷。這種缺陷會影響機械性能，導致泄漏，并最終降低金屬部件的功能和可靠性。

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

研究合著者Frieden Templeton解釋道：“這些缺陷發(fā)生在微觀結構的尺度上，如果你沒有預料到它們，真的很難發(fā)現(xiàn)。使用光學顯微鏡，它們通�？雌饋硐裥〉膾伖鈩澓�。”

通過研究，科學家們發(fā)現(xiàn)PBF-LB中的縮孔主要是由二次枝晶臂生長驅動的，二次枝晶臂生長是在金屬微觀結構凝固時發(fā)生的。

在測試過程中，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打印機打印了大量PBF-LB合金718零件。然后，將結果添加到數(shù)據(jù)集中，用于調查零件質量。

研究小組發(fā)現(xiàn)，收縮孔隙的嚴重程度與某些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果中展示了收縮孔隙率過程圖。這些可以在金屬增材制造的工藝設計和控制階段加以利用，使制造商能夠通過3D打印參數(shù)來減少和防止縮孔。

Templeton補充道：“這將對研究人員和制造商產(chǎn)生特別大的影響，因為他們正致力于開發(fā)工藝參數(shù)，以便在接近 500°C 的高溫下進行打印，以及打印易受局部溫度升高影響的復雜幾何形狀�！�

△凝固金屬中收縮孔隙形成的圖示

研究增強粉末床熔融3D打印技術

德國弗勞恩霍夫應用研究院L-PBF負責人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的說法，傳統(tǒng)激光器的高斯曲線會造成能量分布不均，中間能量過多。這可能導致材料汽化或在熔池周圍產(chǎn)生壓力梯度，從而造成飛濺。激光的加熱過程還會在光束路徑周圍產(chǎn)生電流，將半燒結顆粒拉回熔池。

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，提高了生產(chǎn)率，降低了成本。

Kohlwes在強調光束成型研究所帶來的潛力時說：“激光光束輪廓與相應應用的匹配度越高，能量輸入和相關工藝的穩(wěn)定性就越好�！�