飛濺誘導(dǎo)的孔隙會(huì)導(dǎo)致使用較厚的粉末層建造的樣品中出現(xiàn)缺陷

在美國能源部(DOE)阿貢國家實(shí)驗(yàn)室，團(tuán)隊(duì)正在解決與增材制造相關(guān)的各種科學(xué)問題，通常被稱為3D打印，以促進(jìn)我們對(duì)可能徹底改變制造的過程的理解。

在美國能源部科學(xué)用戶設(shè)施辦公室的Argonne高級(jí)光子源(APS)，由APS物理學(xué)??家Tao Sun和密蘇里科技大學(xué)教授Lianyi Chen領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)最近完成了一項(xiàng)研究，該研究確定了減少粉末“飛濺”的可能方法。這可能導(dǎo)致成品缺陷。這些信息可以幫助各行各業(yè)的企業(yè)，從航空航天到國防，醫(yī)療儀器再到汽車。

在增材制造中，制造商使用激光來加熱金屬，塑料和陶瓷粉末。然后將這些加熱的粉末以非常薄的層(一次一層)鋪展到構(gòu)建板中，從而產(chǎn)生定制的成品，按需制造。該過程稱為“激光粉末床融合”或LPBF。

開發(fā)人員已經(jīng)使用這項(xiàng)技術(shù)為飛機(jī)，汽車甚至醫(yī)療植入物(如人造顎骨)制造組件。工程師正在使用鈦和其他金屬合金來提高生產(chǎn)效率，降低產(chǎn)品成本并簡(jiǎn)化供應(yīng)鏈?？赡艿挠猛緵]有限制，僅取決于設(shè)計(jì)師的愿景。

然而，這個(gè)過程仍然存在缺陷。強(qiáng)烈的激光撞擊粉末經(jīng)常導(dǎo)致粉末飛濺，噴濺或飛濺，導(dǎo)致產(chǎn)品缺陷或質(zhì)量控制問題。此外，當(dāng)工程師尋求重復(fù)使用剩余粉末時(shí)，這會(huì)產(chǎn)生其他問題，因?yàn)闉R潑的粉末往往會(huì)污染其余的粉末。工程師必須經(jīng)常修理成品，或修改并重復(fù)印刷過程。

使用傳統(tǒng)工具很難測(cè)量這種現(xiàn)象。通過建?；蚰M也無法很好地預(yù)測(cè)，因此粉末飛濺的詳細(xì)動(dòng)力學(xué)尚未完全了解。

通過在APS上使用極其明亮的X射線，該團(tuán)隊(duì)能夠觀察到這種粉末運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)，測(cè)量粉末的速度和加速度。通過這些實(shí)驗(yàn)，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一個(gè)說明動(dòng)態(tài)的圖表，并提供了減少飛濺的可能方法。

通過每秒捕獲50,000幀，研究人員能夠探測(cè)和量化粉末運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)隨時(shí)間，環(huán)境壓力和位置在寬溫度范圍內(nèi)的變化 - 從80到4,940華氏度 - 在LPBF中發(fā)生。該團(tuán)隊(duì)還觀察了由加熱的金屬蒸汽羽流和由此產(chǎn)生的氬氣流引起的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力。

“我們正試圖了解粉末噴射的大小，”Sun說。“我們的工作提供了如何減輕它的線索。最后，在嘗試獲得更好的產(chǎn)品時(shí)，我們需要建模。這些模型依靠實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來驗(yàn)證它們。使用X射線技術(shù)，我們可以可視化過程并驗(yàn)證沒有人開發(fā)出準(zhǔn)確的模型來預(yù)測(cè)粉末運(yùn)動(dòng)，因?yàn)檫@個(gè)過程非常復(fù)雜，無法直接測(cè)量。“

研究小組確定了三種可能減少粉末飛濺的方法：在開始主要燒結(jié)(壓實(shí)或成型)過程之前，在相對(duì)較低的溫度下通過預(yù)熱 - 加熱以準(zhǔn)備通過溫度或壓力壓實(shí)粉末; 減少粉末床的厚度; 并調(diào)節(jié)粉末床上的壓力以平衡熱飛濺(在更大壓力下增加)和總飛濺(在更大壓力下減少)。

研究小組發(fā)現(xiàn)，飛濺誘導(dǎo)的孔隙會(huì)導(dǎo)致使用較厚的粉末層建造的樣品中出現(xiàn)缺陷，而在較薄層的樣品中很少發(fā)現(xiàn)此類缺陷。研究人員依靠基于物理學(xué)的理論來確定燒結(jié)和調(diào)節(jié)壓力作為潛在的緩解工具。

該團(tuán)隊(duì)使用X射線成像中的對(duì)比機(jī)制來捕捉一個(gè)視頻中所有飛行粉末的軌跡，盡管溫度極端變化。通過熱成像和可見光成像，科學(xué)家必須使用不同的過濾器和曝光時(shí)間來觀察溫度顯著不同的顆粒。

“我們第一次可以定量研究粉末熔化和濺射行為的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)，同時(shí)對(duì)所有粉末進(jìn)行高空間和時(shí)間分辨率，包括熱，冷和隱藏粉末，”Chen說，他是一個(gè)共同對(duì)應(yīng)的作者與Sun的文章“原位高速高能X射線成像揭示的激光粉末床熔融添加劑制造過程中的粉末噴濺的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)”，發(fā)表于3月26日的Acta Materialia。

“這項(xiàng)研究對(duì)于3-D印刷界有用，可以克服制造缺陷較少的零件的主要障礙，”陳說。

航空航天和國防工業(yè)對(duì)這些發(fā)現(xiàn)特別感興趣，因?yàn)樗鼈冃枰獜?fù)雜的部件。

“航空航天和國防工業(yè)使用3D打印來制造工具，輕質(zhì)結(jié)構(gòu)和具有復(fù)雜幾何形狀的功能部件，”該論文的共同作者Wes Everhart在美國能源部堪薩斯城國家安全校區(qū)表示。“汽車行業(yè)剛剛開始用它來制造復(fù)雜的部件。”

“這很重要，因?yàn)樗峁┝巳绾螠p輕飛濺的線索，”陳說。“還沒有人開發(fā)出可靠的型號(hào)，因?yàn)樵霾闹圃旆浅?fù)雜，無法直接測(cè)量。這使我們更接近實(shí)現(xiàn)3D打印的全部潛力。”