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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

2019-06-25 17:51:56 編輯: 來(lái)源:
導(dǎo)讀 隨著增材制造的發(fā)展 - 通常被稱(chēng)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(guò)用激光加熱塑料或金屬粉末,科學(xué)

隨著增材制造的發(fā)展 - 通常被稱(chēng)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(guò)用激光加熱塑料或金屬粉末,科學(xué)家已經(jīng)逐層建造了汽車(chē),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(kāi)采原材料,這項(xiàng)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(yīng)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(jì)不同,迫使工程師修復(fù)成品或從頭開(kāi)始。并非所有過(guò)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(yàn)和錯(cuò)誤 - 這是一種昂貴且耗時(shí)的創(chuàng)新方式。

為解決這些問(wèn)題,美國(guó)能源部(DOE)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室,卡內(nèi)基梅隆大學(xué)和密蘇里科技大學(xué)的科學(xué)家正在研究整個(gè)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(xué)家們最近實(shí)時(shí)研究了三維打印形成的內(nèi)部材料,因?yàn)榧す鈱⒔饘俜勰┠K艹尚螤?。?dāng)激光“打印”金屬部件時(shí),Argonne物理學(xué)家Tao Sun和他的合作者通過(guò)位于Argonne的DOE科學(xué)用戶設(shè)施Advanced Photon Source的強(qiáng)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(shuō)。“幸運(yùn)的是,我們使用高級(jí)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(gè)過(guò)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(tuán)隊(duì)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(xué)術(shù)界和其他國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的合作伙伴分享他的結(jié)論,他們正在建立可靠地預(yù)測(cè)印刷材料特性的模型。這些模型還預(yù)測(cè)了該過(guò)程的動(dòng)態(tài) - 例如激光如何熔化粉末,何時(shí)粉末變成氣體和液體等等。

與此同時(shí),Argonne的主要材料科學(xué)家和Argonne增材制造項(xiàng)目的聯(lián)合負(fù)責(zé)人Aaron Greco從不同角度對(duì)模型進(jìn)行了改進(jìn)。“印刷后,我們會(huì)檢查產(chǎn)品的微觀結(jié)構(gòu)和缺陷,”Greco說(shuō)。“我們使用各種技術(shù),包括光學(xué)和電子顯微鏡,甚至高級(jí)光子源的層析成像,來(lái)驗(yàn)證模型。”

結(jié)果是一個(gè)良性循環(huán),其中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)被輸入到增材制造模型中,然后通過(guò)更精細(xì)和有見(jiàn)地的實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)試改進(jìn)的模型。建模者和實(shí)驗(yàn)者之間的這種相互作用對(duì)于清楚準(zhǔn)確地理解使3D打印真正可靠所需的基礎(chǔ)材料物理學(xué)至關(guān)重要。

盡管這種循環(huán)對(duì)于他們對(duì)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(jìn)一步擴(kuò)展。

“我們的目標(biāo)是探索新的可能性,”格雷科說(shuō)。“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(guò)程并加快印刷的可靠性。”

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

最終,Argonne的努力將實(shí)現(xiàn)兩全其美:科學(xué)家將揭開(kāi)金屬添加劑制造的動(dòng)態(tài)奧秘,而行業(yè)將通過(guò)藍(lán)圖茁壯成長(zhǎng),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(yīng)用中更廣泛采用的可能性,”Greco說(shuō)。

Sun的研究報(bào)告發(fā)表在科學(xué)報(bào)告文章“使用高速X射線成像和衍射實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)激光粉末床融合過(guò)程”。實(shí)驗(yàn)在Advanced Photon Source的32-ID-B光束線上進(jìn)行。


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