雖然金屬3D打印對制造業(yè)的影響非常大，但其并非沒有缺點。許多設(shè)施正在投入大量資源，以確定金屬3D打印部件出現(xiàn)缺陷的原因，以及如何阻止它們......勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的創(chuàng)新研究人員也對此進(jìn)行了大量研究。去年冬天，LLNL與艾姆斯實驗室和能源部SLAC國家加速器實驗室的科學(xué)家合作，利用X射線研究金屬3D打印過程，并找出這些缺陷來自哪里以及如何防止這些缺陷。

美國能源部能源效率和可再生能源先進(jìn)制造辦公室對三個實驗室之間的合作項目進(jìn)行了資助，該實驗室是其年度國家實驗室重大峰會（BIS）的一個分支，通過國家實驗室復(fù)合體促進(jìn)戰(zhàn)略技術(shù)規(guī)劃和合作。

這種合作關(guān)系希望從美國行業(yè)中獲得更多像這樣的合作項目的興趣，LLNL剛剛提供了一個更新。

金屬3D打印在航空航天和汽車等多個行業(yè)的應(yīng)用速度緩慢，因為對于這些關(guān)鍵部件而言，零件質(zhì)量和認(rèn)證不可能完美。LLNL的研究人員進(jìn)行了多次實驗，以便將許多復(fù)雜機(jī)制的覆蓋層拉回，這些機(jī)制可能會在金屬部件中形成缺陷，SLAC和Ames的最新研究更直接地檢查了哪些因素會導(dǎo)致這些缺陷，以及如何避免這些缺陷。

本月，這份合作關(guān)系產(chǎn)生的首個科學(xué)論文已發(fā)表在“科學(xué)儀器評論”雜志上。這篇論文詳細(xì)介紹了研究人員如何使用X射線成像和衍射來觀察金屬部件的內(nèi)部，同時他們正在使用普通的激光粉末床熔合（LPBF）工藝進(jìn)行3D打印。

“這是一支非常優(yōu)秀的團(tuán)隊，因為每個搭檔都會帶來實力。團(tuán)隊正在建立一種獨(dú)特的能力，并提供您無法以任何其他方式獲得的信息?！盠LNL材料科學(xué)部科技部副部長Tony Van Buuren談到該項目時說道?！拔覀円黄鹨朐\斷技術(shù)、紡織科學(xué)，并開發(fā)研究新材料的能力?！?/span>

論文主要作者Nick Calta設(shè)計并制造了一款能夠探測熔池的便攜式診斷設(shè)備。該設(shè)備和方法都在SLAC進(jìn)行同步輻射光源測試和評估，Calta的團(tuán)隊能夠成功地觀察表面下熔池的動態(tài)。

“絕大多數(shù)診斷都使用可見光，這是非常有用的，但也僅限于分析零件的表面。如果我們要真正理解這個過程并查看造成缺陷的原因，我們需要一種方法來滲透樣本。這臺儀器可以讓我們做到這一點，”Calta說。

Calta解釋說，合作團(tuán)隊很難在積極的時間表上構(gòu)建便攜式現(xiàn)場診斷機(jī)。首先，LLNL的研究人員必須將設(shè)備運(yùn)輸?shù)絊LAC，并使用同步加速器來創(chuàng)建研究樣品所需的X射線通量和高能量X射線，這些X射線衍射和成像提供了有用的數(shù)據(jù)，所以研究人員可以看到金屬如何凝固，這有助于確定零件的強(qiáng)度。但他們已經(jīng)從所有這些辛勤工作中受益，并收集了他們?nèi)栽谂Ψ治龅挠杏脭?shù)據(jù)。

LLNL物理學(xué)家和激光材料科學(xué)小組組長Ibo Matthews在開發(fā)實驗以了解LPBF背后的物理學(xué)方面擁有多年經(jīng)驗，他說：“我們正在獲得有關(guān)熔池結(jié)構(gòu)的信息，以及構(gòu)建過程中可能出現(xiàn)的問題。激光加熱熔池產(chǎn)生的蒸汽羽可以產(chǎn)生口袋和毛孔。這些孔隙缺陷可以用作應(yīng)力集中器，并會損害零件的機(jī)械性能?！?/span>

由于團(tuán)隊能夠真正看到熔池中形成的層，并將X射線圖像與模擬進(jìn)行對比，Matthews表示他們能夠確認(rèn)激光器如何通過氣體羽流、路徑和熱量產(chǎn)生缺陷的預(yù)測建立。如果他們在持續(xù)的實驗中將這些新信息與建模結(jié)合起來，那么金屬3D打印零件的改進(jìn)和信心可能會增加。

“成功將以更多的方式學(xué)習(xí)物理學(xué)，讓我們修改過程以避免缺陷。到目前為止，我們正在取得有希望的成果，”Calta解釋說?！拔覀兿Ｍ^續(xù)優(yōu)化儀器并將其應(yīng)用于不同的材料系統(tǒng)。我們已經(jīng)有了基于光學(xué)數(shù)據(jù)的大量知識，這讓我們分支并補(bǔ)充了這些知識?！?/span>

Calta表示，該團(tuán)隊已經(jīng)開始繪制出孔隙形成并引出冷卻速率信息。希望此設(shè)備能夠更好地了解LPBF 3D打印過程，并引發(fā)業(yè)界對金屬3D打印的興趣。

“通過在箱子外面看，你無法分辨箱子里面有什么。該項目的目的是通過開發(fā)先進(jìn)的現(xiàn)場工具，加速AM制造業(yè)中金屬部件的增材制造（AM），以實現(xiàn)AM部件的快速工藝開發(fā)?！盫an Buuren說。“對于新材料，我們還不了解這些屬性，我們需要能夠?qū)崟r查看過程。這與我們在實驗室通常做的有點不同。我們希望建立一個行業(yè)能夠進(jìn)入和使用的能力。”

該團(tuán)隊希望添加經(jīng)常用于商業(yè)機(jī)器的光學(xué)診斷，以幫助與X射線成像相關(guān)聯(lián)。

來源：中國3D打印網(wǎng)