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(guó)能源部(DOE)阿貢國(guó)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(wèn)題，通常被稱(chēng)為3D打印，以促進(jìn)我們對(duì)可能徹底改變制造的過(guò)程的理解。

在美國(guó)能源部科學(xué)用戶(hù)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(guó)防，醫(yī)療儀器再到汽車(chē)。

在增材制造中，制造商使用激光來(lái)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(guò)程稱(chēng)為“激光粉末床融合”或LPBF。

開(kāi)發(fā)人員已經(jīng)使用這項(xiàng)技術(shù)為飛機(jī)，汽車(chē)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(lái)提高生產(chǎn)效率，降低產(chǎn)品成本并簡(jiǎn)化供應(yīng)鏈。可能的用途沒(méi)有限制，僅取決于設(shè)計(jì)師的愿景。

然而，這個(gè)過(guò)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(wèn)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(wèn)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(guò)程。

使用傳統(tǒng)工具很難測(cè)量這種現(xiàn)象。通過(guò)建?；蚰M也無(wú)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(guò)在A(yíng)PS上使用極其明亮的X射線(xiàn)，該團(tuán)隊(duì)能夠觀(guān)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(guò)這些實(shí)驗(yàn)，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一個(gè)說(shuō)明動(dòng)態(tài)的圖表，并提供了減少飛濺的可能方法。

通過(guò)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(guān)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(shuō)。“我們的工作提供了如何減輕它的線(xiàn)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(lái)驗(yàn)證它們。使用X射線(xiàn)技術(shù)，我們可以可視化過(guò)程并驗(yàn)證沒(méi)有人開(kāi)發(fā)出準(zhǔn)確的模型來(lái)預(yù)測(cè)粉末運(yùn)動(dòng)，因?yàn)檫@個(gè)過(guò)程非常復(fù)雜，無(wú)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(kāi)始主要燒結(jié)(壓實(shí)或成型)過(guò)程之前，在相對(duì)較低的溫度下通過(guò)預(yù)熱 - 加熱以準(zhǔn)備通過(guò)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(lèi)缺陷。研究人員依靠基于物理學(xué)的理論來(lái)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(xiàn)成像中的對(duì)比機(jī)制來(lái)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(guò)熱成像和可見(jiàn)光成像，科學(xué)家必須使用不同的過(guò)濾器和曝光時(shí)間來(lái)觀(guān)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(shuō)，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(xiàn)成像揭示的激光粉末床熔融添加劑制造過(guò)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(shuō)。

航空航天和國(guó)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(guó)防工業(yè)使用3D打印來(lái)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(guó)能源部堪薩斯城國(guó)家安全校區(qū)表示。“汽車(chē)行業(yè)剛剛開(kāi)始用它來(lái)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(xiàn)索，”陳說(shuō)。“還沒(méi)有人開(kāi)發(fā)出可靠的型號(hào)，因?yàn)樵霾闹圃旆浅?fù)雜，無(wú)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。”