科学家研究预测3D打印机缺陷气穴形成的方法

　　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打印机。这些区域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。

　　阿尔贡科学家在专业系统前，可以在商业3D打印机中模拟激光粉末床融合过程打印机。从左上方顺时针方向拍摄的是APS光束线科学家Kamel Fezzaa; 孙涛，APS光束科学家; APS博士后的Niranjan Parab。

　　来自卡内基梅隆大学和美国能源部（DOE）阿尔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打印机。这些信息极大地改善了3D打印过程。他们的研究发表在上周的《科学》杂志上。

　　图片来源：阿尔贡国家实验室

　　“本文的研究将转化为更好的质量和更好的机器操控打印机。”卡内基梅隆大学材料科学与工程教授、论文作者安东尼·罗利特说，“为了使增材制造帮助大多数公司腾飞，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。”

　　科学家们利用阿尔贡先进光子源（APS）（美国能源部科学用户设施办公室）的超高亮度高能X射线，拍摄了一种叫做激光动力床融合（LPBF）过程的超快速视频和图像，其中激光被用来熔化和融合材料粉末打印机。

　　激光扫描每层粉末，在必要时熔化金属，从地面上直接产生成品打印机。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，从而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是如何钻入金属的，从而产生称为“蒸汽凹陷”的空腔打印机。然而，他们认为问题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，用反复试验的方法来减少缺陷。

　　阿尔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）

　　事实上，研究表明，无论是激光还是金属，在这一过程中，几乎所有的条件下都存在这些蒸汽凹陷打印机。更重要的是，该研究表明如何预测一个小凹陷何时会发展为一个不稳定的大凹陷，这可能会造成缺陷。

　　“我们正在揭开神奇的面纱，揭示真实情况打印机。”罗利特说，“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，你在金属上钻一个洞。”

　　通过使用世界上最强大的同步加速器设备之一，研究人员观察了激光穿过金属粉末床产生每一层产品时所发生的情况打印机。

　　在完美条件下，熔池形状是浅而半圆形的，称为“传导模式”打印机。但在实际打印过程中，大功率激光，往往以低速移动，可以将熔池形状改变为某种形状。像一个锁上的锁孔：顶部圆形大，底部有一个狭窄的尖刺。这种“锁孔模式”熔化可能导致最终产品出现缺陷。

　　该图像是在阿尔贡国家实验室的同步加速器下拍摄的，显示了在金属3D打印机打印过程中即将形成的钥匙孔空隙打印机。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还重要打印机。”最近毕业于卡内基梅隆大学的Ross Cunningham说，他是这篇论文的合著者之一。 “我们的研究表明，您可以预测导致钥匙孔生成的因素 - 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，会形成键孔打印机。研究团队表示，这反过来，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。

　　“由于阿尔贡人的专业开发能力，这种细节第一次能够看到钥匙孔现象打印机。”阿尔贡物理学家和论文作者Tao Sun说， “当然，APS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将导致最终产品的显著改进打印机。

　　“这一点很重要，因为一般来说，3D打印机速度相当慢打印机。”罗利特说，“打印一个几英寸高的部件需要几个小时。如果您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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