工程師僅受其想象力和他們可以生產(chǎn)的部件的質(zhì)量的限制

隨著增材制造的發(fā)展 - 通常被稱為3D打印 - 工程師僅受其想象力和他們可以生產(chǎn)的部件的質(zhì)量的限制。通過用激光加熱塑料或金屬粉末，科學家已經(jīng)逐層建造了汽車，人行橋甚至人造顎骨。隨著工程師使用鈦和其他金屬合金更有效地開采原材料，這項技術(shù)有可能改變制造業(yè)，從而降低產(chǎn)品成本和重量，縮短供應鏈。

然而，金屬添加劑制造面臨障礙。印刷材料通常包含結(jié)構(gòu)缺陷，并且與設(shè)計不同，迫使工程師修復成品或從頭開始。并非所有過程背后的物理都被很好地理解。該領(lǐng)域的大部分研究涉及試驗和錯誤 - 這是一種昂貴且耗時的創(chuàng)新方式。

為解決這些問題，美國能源部(DOE)阿貢國家實驗室，卡內(nèi)基梅隆大學和密蘇里科技大學的科學家正在研究整個三維印刷工藝，包括金屬粉末的材料特性以及如何激光“熔化”并將這些粉末塑造成所需的組分，以發(fā)現(xiàn)缺陷的形成方式和避免它們的方法。

科學家們最近實時研究了三維打印形成的內(nèi)部材料，因為激光將金屬粉末模塑成形狀。當激光“打印”金屬部件時，Argonne物理學家Tao Sun和他的合作者通過位于Argonne的DOE科學用戶設(shè)施Advanced Photon Source的強烈同步加速器X射線在其內(nèi)部工作中占據(jù)了前排座位。

“激光與金屬的相互作用非常迅速，”孫說。“幸運的是，我們使用高級光子源中的高速X射線儀器以每秒50,000幀的速度拍攝了這個過程。我們可以逐幀研究所得到的電影，以檢查材料的微觀結(jié)構(gòu)，特別是缺陷和毛孔的形成。 “

該團隊表明，他們可以觀察和量化許多金屬3-D印刷特性 - 包括熔池尺寸/形狀，粉末噴射，凝固，孔隙形成和相變。

Sun將與學術(shù)界和其他國家實驗室的合作伙伴分享他的結(jié)論，他們正在建立可靠地預測印刷材料特性的模型。這些模型還預測了該過程的動態(tài) - 例如激光如何熔化粉末，何時粉末變成氣體和液體等等。

與此同時，Argonne的主要材料科學家和Argonne增材制造項目的聯(lián)合負責人Aaron Greco從不同角度對模型進行了改進。“印刷后，我們會檢查產(chǎn)品的微觀結(jié)構(gòu)和缺陷，”Greco說。“我們使用各種技術(shù)，包括光學和電子顯微鏡，甚至高級光子源的層析成像，來驗證模型。”

結(jié)果是一個良性循環(huán)，其中實驗數(shù)據(jù)被輸入到增材制造模型中，然后通過更精細和有見地的實驗來測試改進的模型。建模者和實驗者之間的這種相互作用對于清楚準確地理解使3D打印真正可靠所需的基礎(chǔ)材料物理學至關(guān)重要。

盡管這種循環(huán)對于他們對增材制造的基本理解至關(guān)重要，但研究人員的雄心壯志進一步擴展。

“我們的目標是探索新的可能性，”格雷科說。“行業(yè)目前僅限于某些金屬合金。但新產(chǎn)品如何?如果您了解與如何印刷新合金相關(guān)的物理特性，您可以將這些合金用于此過程并加快印刷的可靠性。”

行業(yè)也受限于目前定義復雜零件印刷工藝所需的非常詳細的模型。通過將這些模型簡化為影響質(zhì)量和可靠性的少數(shù)元素，團隊希望使模型更快，更適合工業(yè)。

最終，Argonne的努力將實現(xiàn)兩全其美：科學家將揭開金屬添加劑制造的動態(tài)奧秘，而行業(yè)將通過藍圖茁壯成長，以快速打印出具有成本效益和可靠的產(chǎn)品。

“我們的工作不僅有助于工業(yè)提高效率和性能，還可以提高金屬 添加劑制造在其他應用中更廣泛采用的可能性，”Greco說。

Sun的研究報告發(fā)表在科學報告文章“使用高速X射線成像和衍射實時監(jiān)測激光粉末床融合過程”。實驗在Advanced Photon Source的32-ID-B光束線上進行。