2019/02/27
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研究人员找到预测金属3D打印缺陷形成的方法
在3D打印过程中，如果气体被困在供给3D打印机的金属粉末内，可能会出现微小的气穴。 这些地区具有瑞士奶酪般的结构，密度较小，比周围环境弱，可能导致裂缝和其他故障。
来自卡内基梅隆大学和美国能源部（DOE）阿贡国家实验室的研究小组已经确定了这些气穴，并创建了一种预测气穴形成的方法。这些信息可以显著改善3D打印工艺，他们的研究发表在上周的《科学》杂志上。
论文原文：http://science.sciencemag.org/content/363/6429/849
“本文的研究将转化为更好的质量和更好的机器控制，”卡内基梅隆大学材料科学与工程教授，论文作者Anthony Rollett说。 “对于大多数公司来说，增材制造要真正起飞，我们需要提高成品的一致性。这项研究是朝这个方向迈出的重要一步。“
科学家们在美国能源部科学用户设施办公室Argonne的先进光子源（APS）上使用了极其明亮的高能X射线，拍摄了超高速视频和激光融合（LPBF）过程的图像，其中激光用于将材料粉末熔化并融合在一起。
激光扫描每层粉末熔化金属，从字面上创造出从头开始的成品。当微小的气穴被困在这些层中时，就会形成缺陷。这些缺陷会导致瑕疵，导致最终产品出现裂缝或其他故障。
到目前为止，制造商并不太了解激光如何让金属产生了气孔。然而，他们认为故障在于金属粉末的类型或激光的强度。因此，制造商一直在使用不同类型的金属和激光的反复试验方法来寻求减少缺陷。
事实上，研究表明，无论是激光还是金属，这些蒸汽凹陷都存在于该工艺的几乎所有条件下。
Rollett说：“我们正在揭开面纱，揭示真实情况，大多数人认为你在金属粉末表面照射激光，光线被材料吸收，并将金属熔化成熔池。实际上，你真的在金属上钻一个洞。“
阿贡国家实验室先进的光子源设施。 （图片由卡内基梅隆大学提供）
通过使用世界上最强大的同步加速器设备之一，研究人员观察到，研究人员观察了当激光穿过金属粉末床时会发生什么。
在完美条件下，熔池形状是浅的和半圆形的，称为“传导模式”。但在实际打印过程中，通常以低速移动的高功率激光器可以将熔池形状改变为某种形状。 像一个锁孔中的钥匙孔：圆形和大的顶部，底部有一个狭窄的尖刺。 这种“锁孔模式”熔化可能潜在地导致最终产品中的缺陷。
该图像是在阿贡国家实验室的同步加速器下拍摄的，显示了在金属3D打印过程中即将形成的钥匙孔空隙。在激光粉末床熔合期间，3D打印机在金属上“钻”出一个孔。 （图片由卡内基梅隆大学提供。）
“基于这项研究，我们现在知道锁孔现象在很多方面比在增材制造中使用的粉末更重要，”最近毕业于卡内基梅隆大学的Ross Cunningham说，他是共同第一作者之一。“我们的研究表明，您可以预测导致钥匙孔的因素 - 这意味着您也可以隔离这些因素以获得更好的结果。”
研究表明，当达到足以使金属沸腾的某个激光功率密度时，会形成键孔。反过来，这反映了激光焦点在增材制造过程中的至关重要性，这是迄今为止受到很少关注的一个因素，研究团队表示。
“由于Argonne开发的专业能力，这种细节第一次能够看到钥匙孔现象，”Argonne物理学家和论文作者Tao Sun说。 “当然，APS强烈的高能X射线束是关键。”
该研究团队认为，这项研究可以激励增材制造机器的制造商在控制机器时提供更大的灵活性，并且机器的改进使用可以导致最终产品的显著改进。
“这很重要，因为一般来说3D打印速度相当慢，”Rollett说。 “打印一个几英寸高的部件需要几个小时。如果你有能力支付这项技术，那就没关系，但我们需要做得更好。”
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