飞溅诱导的孔隙会导致使用较厚的粉末层建造的样品中出现缺陷

在美国能源部(DOE)阿贡国家实验室，团队正在解决与增材制造相关的各种科学问题，通常被称为3D打印，以促进我们对可能彻底改变制造的过程的理解。

在美国能源部科学用户设施办公室的Argonne高级光子源(APS)，由APS物理学​​家Tao Sun和密苏里科技大学教授Lianyi Chen领导的团队最近完成了一项研究，该研究确定了减少粉末“飞溅”的可能方法。这可能导致成品缺陷。这些信息可以帮助各行各业的企业，从航空航天到国防，医疗仪器再到汽车。

在增材制造中，制造商使用激光来加热金属，塑料和陶瓷粉末。然后将这些加热的粉末以非常薄的层(一次一层)铺展到构建板中，从而产生定制的成品，按需制造。该过程称为“激光粉末床融合”或LPBF。

开发人员已经使用这项技术为飞机，汽车甚至医疗植入物(如人造颚骨)制造组件。工程师正在使用钛和其他金属合金来提高生产效率，降低产品成本并简化供应链。可能的用途没有限制，仅取决于设计师的愿景。

然而，这个过程仍然存在缺陷。强烈的激光撞击粉末经常导致粉末飞溅，喷溅或飞溅，导致产品缺陷或质量控制问题。此外，当工程师寻求重复使用剩余粉末时，这会产生其他问题，因为溅泼的粉末往往会污染其余的粉末。工程师必须经常修理成品，或修改并重复印刷过程。

使用传统工具很难测量这种现象。通过建模或模拟也无法很好地预测，因此粉末飞溅的详细动力学尚未完全了解。

通过在APS上使用极其明亮的X射线，该团队能够观察到这种粉末运动的动态，测量粉末的速度和加速度。通过这些实验，该团队创建了一个说明动态的图表，并提供了减少飞溅的可能方法。

通过每秒捕获50,000帧，研究人员能够探测和量化粉末运动的动态随时间，环境压力和位置在宽温度范围内的变化 - 从80到4,940华氏度 - 在LPBF中发生。该团队还观察了由加热的金属蒸汽羽流和由此产生的氩气流引起的运动驱动力。

“我们正试图了解粉末喷射的大小，”Sun说。“我们的工作提供了如何减轻它的线索。最后，在尝试获得更好的产品时，我们需要建模。这些模型依靠实验数据来验证它们。使用X射线技术，我们可以可视化过程并验证没有人开发出准确的模型来预测粉末运动，因为这个过程非常复杂，无法直接测量。“

研究小组确定了三种可能减少粉末飞溅的方法：在开始主要烧结(压实或成型)过程之前，在相对较低的温度下通过预热 - 加热以准备通过温度或压力压实粉末; 减少粉末床的厚度; 并调节粉末床上的压力以平衡热飞溅(在更大压力下增加)和总飞溅(在更大压力下减少)。

研究小组发现，飞溅诱导的孔隙会导致使用较厚的粉末层建造的样品中出现缺陷，而在较薄层的样品中很少发现此类缺陷。研究人员依靠基于物理学的理论来确定烧结和调节压力作为潜在的缓解工具。

该团队使用X射线成像中的对比机制来捕捉一个视频中所有飞行粉末的轨迹，尽管温度极端变化。通过热成像和可见光成像，科学家必须使用不同的过滤器和曝光时间来观察温度显着不同的颗粒。

“我们第一次可以定量研究粉末熔化和溅射行为的瞬态动力学，同时对所有粉末进行高空间和时间分辨率，包括热，冷和隐藏粉末，”Chen说，他是一个共同对应的作者与Sun的文章“原位高速高能X射线成像揭示的激光粉末床熔融添加剂制造过程中的粉末喷溅的瞬态动力学”，发表于3月26日的Acta Materialia。

“这项研究对于3-D印刷界有用，可以克服制造缺陷较少的零件的主要障碍，”陈说。

航空航天和国防工业对这些发现特别感兴趣，因为它们需要复杂的部件。

“航空航天和国防工业使用3D打印来制造工具，轻质结构和具有复杂几何形状的功能部件，”该论文的共同作者Wes Everhart在美国能源部堪萨斯城国家安全校区表示。“汽车行业刚刚开始用它来制造复杂的部件。”

“这很重要，因为它提供了如何减轻飞溅的线索，”陈说。“还没有人开发出可靠的型号，因为增材制造非常复杂，无法直接测量。这使我们更接近实现3D打印的全部潜力。”