首次監(jiān)測(cè)LPBF小孔-湍流特征，科學(xué)家對(duì)金屬3D打印缺陷成因提出新見(jiàn)解

導(dǎo)讀：激光粉末床熔合技術(shù)（LPBF）自發(fā)明以來(lái),，已被多次證明是一種優(yōu)秀的工業(yè)制造技術(shù),，它允許工程師能夠制造出其他工藝難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜金屬幾何形狀。然而,，該工藝并不完美,，因?yàn)楦吖β始す馐�產(chǎn)生的熱量往往會(huì)導(dǎo)致部件中形成孔隙。這些缺陷不利于零件的密度,，并導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的整體機(jī)械性能不佳,。

在零件性能至關(guān)重要的關(guān)鍵行業(yè)，孔隙會(huì)對(duì)可打印的零件類型構(gòu)成限制,。因此,，目前需要在3D打印中開(kāi)發(fā)更好的缺陷檢測(cè)和消除技術(shù)。

2022年6月1日,，南極熊獲悉,，由赫瑞瓦特大學(xué)、卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)和阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家組成的一個(gè)國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)利用先進(jìn)的成像技術(shù),，對(duì)金屬3D打印過(guò)程中的材料狀態(tài)進(jìn)行了觀測(cè),，深入研究金屬3D打印背后的基本物理變化。南極熊認(rèn)為,，這項(xiàng)工作會(huì)為了解打印部件缺陷的成因提供新的見(jiàn)解,。

赫瑞瓦特大學(xué)光子學(xué)和量子科學(xué)研究所的副研究員Ioannis Bitharas博士解釋說(shuō)："我們的研究將激光與金屬粒子相互作用時(shí)存在的所有物質(zhì)狀態(tài)之間的相互作用可視化,。"

△從熔池的匙孔射出的湍流隨時(shí)間的演變。圖片來(lái)自赫瑞瓦特大學(xué)

LPBF中的孔隙是如何形成的,？

在金屬增材制造過(guò)程中,，一束激光被應(yīng)用于粉末材料的床層。這導(dǎo)致了一個(gè)被稱為熔池的小型熔融金屬池,，粉末顆粒在這里融合在一起,。

在熔池內(nèi)，少量的金屬蒸發(fā)并壓迫液體,，在熔池的中心形成一個(gè)空洞,。這個(gè)空腔被稱為"匙孔"，如果它變得不穩(wěn)定,，就會(huì)自行坍塌,，導(dǎo)致3D打印部件中形成一個(gè)孔隙。

△與熔池動(dòng)力學(xué)和小孔形成相關(guān)的物理機(jī)制的可視化

此外,，在塌陷的情況下,，蒸汽會(huì)從匙孔中向上射出，形成一個(gè)湍流,。這可能會(huì)影響到粉末床中一些未融合的顆粒,，可能會(huì)擾亂頂層材料。

Bitharas補(bǔ)充說(shuō)："這種現(xiàn)象會(huì)造成散落在整個(gè)部件上的微小缺陷,，對(duì)許多制造商來(lái)說(shuō),，材料的孔隙率都是不可接受的。我們捕捉到的圖像首次提供了這種相互作用的完整圖像,，我們現(xiàn)在可以肯定地告訴大家正在發(fā)生什么,。"

△綜合圖像展示了熔池如何影響湍流的方向。圖片來(lái)自赫瑞瓦特大學(xué),。

結(jié)合X射線和分光鏡成像

研究小組使用X射線和分光鏡成像的組合來(lái)檢查和描述熔池中存在的氣體,、蒸汽、液體和固體相之間的相互作用,。

通過(guò)分析圖像,，他們發(fā)現(xiàn)蒸汽湍流的行為對(duì)熔池鎖孔的整體穩(wěn)定性有直接影響。具體來(lái)說(shuō),，蒸汽湍流越是動(dòng)態(tài)和活躍,，匙孔就越不穩(wěn)定，導(dǎo)致更多的孔隙,。

Bitharas的團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn),，通過(guò)修改激光器的一些參數(shù)，如功率、光斑大小和掃描速度,，他們可以充分控制湍流的動(dòng)態(tài)和熔池的穩(wěn)定性,。研究人員認(rèn)為，他們是第一個(gè)可以監(jiān)測(cè)匙孔湍流過(guò)程特征的人,，并期望他們的發(fā)現(xiàn)對(duì)航空航天,、汽車和國(guó)防等部門有重大影響。

該研究的共同作者Andrew Moore教授補(bǔ)充說(shuō)："迄今為止,，研究的重點(diǎn)是根據(jù)液態(tài)金屬或顆粒的行為來(lái)檢測(cè)和預(yù)測(cè)缺陷,，往往忽略了熔池上方產(chǎn)生的蒸汽噴射和湍流的影響。我們相信,，這項(xiàng)工作將能夠創(chuàng)建改進(jìn)的過(guò)程監(jiān)測(cè)和分析工具,，以識(shí)別和防止金屬增材制造中的缺陷"。

這項(xiàng)研究的更多細(xì)節(jié)可以在題為 "激光粉末床熔融中汽,、液,、固三相的相互作用/The interplay between vapor, liquid, and solid phases in laserpowder bed fusion"的論文中找到。

相關(guān)論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-30667-z

盡管缺陷預(yù)防很重要,，但它只是金屬增材制造研究的一個(gè)領(lǐng)域,。就在最近，來(lái)自清華大學(xué)和新加坡國(guó)立大學(xué)的研究人員調(diào)查了流體流動(dòng)對(duì)金屬3D打印部件的機(jī)械性能的影響,。仔細(xì)控制打印部件中新晶粒和枝晶的形成對(duì)于調(diào)整最終的晶粒結(jié)構(gòu)至關(guān)重要,，但直到現(xiàn)在，熔池中的流體流動(dòng)的影響還沒(méi)有被探索出來(lái),。

在其他地方,，在塔林科技大學(xué)和愛(ài)沙尼亞生命科學(xué)大學(xué)，工程師們正在研究如何用3D打印技術(shù)來(lái)生產(chǎn)軟磁芯,。到目前為止，打印磁芯一直是一個(gè)重大的挑戰(zhàn),，因?yàn)樗�很難保持磁芯的效率,，但該團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在已經(jīng)提出了一個(gè)基于激光的增材制造工作流程，他們聲稱可以制備出軟磁復(fù)合材料,，并產(chǎn)生優(yōu)越的磁性能,，。