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(xué)和匹茲堡大學(xué)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(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的缺陷,，通常在金屬從液體轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w時形成,。在傳統(tǒng)金屬鑄件中，Niyama準(zhǔn)則可用于準(zhǔn)確預(yù)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(zhǔn)確預(yù)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(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)過研究,，研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)Niyama準(zhǔn)則在有效預(yù)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(jié)論表明，基于凝固冷卻速率的新模型,，可以可靠地預(yù)測PBF-LB增材制造中的縮孔率,。該團(tuán)隊還發(fā)布了收縮孔隙率流程圖，可通過調(diào)整3D打印參數(shù)來降低收縮孔隙率,。

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,，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(bǔ),，由于金屬流動路徑被凝固的微觀結(jié)構(gòu)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(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(jié)構(gòu)的尺度上，如果你沒有預(yù)料到它們,，真的很難發(fā)現(xiàn),。使用光學(xué)顯微鏡，它們通�,？雌饋硐裥〉膾伖鈩澓�,。”

通過研究,，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驅(qū)動的,，二次枝晶臂生長是在金屬微觀結(jié)構(gòu)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(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程圖,。這些可以在金屬增材制造的工藝設(shè)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(bǔ)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(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(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,。激光的加熱過程還會在光束路徑周圍產(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(qiáng)調(diào)光束成型研究所帶來的潛力時說：“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�,！�