研究人員找到預(yù)測(cè)金屬3D打印缺陷形成的方法

在3D打印過程中，如果氣體被困在供給3D打印機(jī)的金屬粉末內(nèi)，可能會(huì)出現(xiàn)微小的氣穴。 這些地區(qū)具有瑞士奶酪般的結(jié)構(gòu)，密度較小，比周圍環(huán)境弱，可能導(dǎo)致裂縫和其他故障。

來自卡內(nèi)基梅隆大學(xué)和美國(guó)能源部（DOE）阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究小組已經(jīng)確定了這些氣穴，并創(chuàng)建了一種預(yù)測(cè)氣穴形成的方法。這些信息可以顯著改善3D打印工藝，他們的研究發(fā)表在上周的《科學(xué)》雜志上。
論文原文：http://science.sciencemag.org/content/363/6429/849

“本文的研究將轉(zhuǎn)化為更好的質(zhì)量和更好的機(jī)器控制，”卡內(nèi)基梅隆大學(xué)材料科學(xué)與工程教授，論文作者Anthony Rollett說。 “對(duì)于大多數(shù)公司來說，增材制造要真正起飛，我們需要提高成品的一致性。這項(xiàng)研究是朝這個(gè)方向邁出的重要一步�！�

科學(xué)家們?cè)诿绹?guó)能源部科學(xué)用戶設(shè)施辦公室Argonne的先進(jìn)光子源（APS）上使用了極其明亮的高能X射線，拍攝了超高速視頻和激光融合（LPBF）過程的圖像，其中激光用于將材料粉末熔化并融合在一起。

激光掃描每層粉末熔化金屬，從字面上創(chuàng)造出從頭開始的成品。當(dāng)微小的氣穴被困在這些層中時(shí)，就會(huì)形成缺陷。這些缺陷會(huì)導(dǎo)致瑕疵，導(dǎo)致最終產(chǎn)品出現(xiàn)裂縫或其他故障。

到目前為止，制造商并不太了解激光如何讓金屬產(chǎn)生了氣孔。然而，他們認(rèn)為故障在于金屬粉末的類型或激光的強(qiáng)度。因此，制造商一直在使用不同類型的金屬和激光的反復(fù)試驗(yàn)方法來尋求減少缺陷。

事實(shí)上，研究表明，無(wú)論是激光還是金屬，這些蒸汽凹陷都存在于該工藝的幾乎所有條件下。

Rollett說：“我們正在揭開面紗，揭示真實(shí)情況，大多數(shù)人認(rèn)為你在金屬粉末表面照射激光，光線被材料吸收，并將金屬熔化成熔池。實(shí)際上，你真的在​​金屬上鉆一個(gè)洞。“

阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)的光子源設(shè)施。 （圖片由卡內(nèi)基梅隆大學(xué)提供）

通過使用世界上最強(qiáng)大的同步加速器設(shè)備之一，研究人員觀察到，研究人員觀察了當(dāng)激光穿過金屬粉末床時(shí)會(huì)發(fā)生什么。

在完美條件下，熔池形狀是淺的和半圓形的，稱為“傳導(dǎo)模式”。但在實(shí)際打印過程中，通常以低速移動(dòng)的高功率激光器可以將熔池形狀改變?yōu)槟撤N形狀。 像一個(gè)鎖孔中的鑰匙孔：圓形和大的頂部，底部有一個(gè)狹窄的尖刺。 這種“鎖孔模式”熔化可能潛在地導(dǎo)致最終產(chǎn)品中的缺陷。

該圖像是在阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的同步加速器下拍攝的，顯示了在金屬3D打印過程中即將形成的鑰匙孔空隙。在激光粉末床熔合期間，3D打印機(jī)在金屬上“鉆”出一個(gè)孔。 （圖片由卡內(nèi)基梅隆大學(xué)提供。）

“基于這項(xiàng)研究，我們現(xiàn)在知道鎖孔現(xiàn)象在很多方面比在增材制造中使用的粉末更重要，”最近畢業(yè)于卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的Ross Cunningham說，他是共同第一作者之一。“我們的研究表明，您可以預(yù)測(cè)導(dǎo)致鑰匙孔的因素 - 這意味著您也可以隔離這些因素以獲得更好的結(jié)果�！�

研究表明，當(dāng)達(dá)到足以使金屬沸騰的某個(gè)激光功率密度時(shí)，會(huì)形成鍵孔。反過來，這反映了激光焦點(diǎn)在增材制造過程中的至關(guān)重要性，這是迄今為止受到很少關(guān)注的一個(gè)因素，研究團(tuán)隊(duì)表示。

“由于Argonne開發(fā)的專業(yè)能力，這種細(xì)節(jié)第一次能夠看到鑰匙孔現(xiàn)象，”Argonne物理學(xué)家和論文作者Tao Sun說。 “當(dāng)然，APS強(qiáng)烈的高能X射線束是關(guān)鍵�！�

該研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這項(xiàng)研究可以激勵(lì)增材制造機(jī)器的制造商在控制機(jī)器時(shí)提供更大的靈活性，并且機(jī)器的改進(jìn)使用可以導(dǎo)致最終產(chǎn)品的顯著改進(jìn)。

“這很重要，因?yàn)橐话銇碚f3D打印速度相當(dāng)慢，”Rollett說。 “打印一個(gè)幾英寸高的部件需要幾個(gè)小時(shí)。如果你有能力支付這項(xiàng)技術(shù)，那就沒關(guān)系，但我們需要做得更好。”

編譯自：3ders