卡內(nèi)基梅隆大學(xué)通過高速X射線成像研究SLM 3D打印中小孔的成因

魔猴君  行業(yè)資訊   2081天前

在粉末平臺選區(qū)激光熔融（SLM）3D打印過程中形成的小孔是這一3D打印工藝仍存在的問題，了解缺陷產(chǎn)生的原因并由此找到解決方案，也是粉末平臺激光熔融3D打印技術(shù)發(fā)展中所面臨的一個重要課題。根魔猴網(wǎng)了解，來自美國卡內(nèi)基梅隆大學(xué)和美國阿貢國家實驗室的研發(fā)團(tuán)隊使用高速X射線成像技術(shù)來研究粉末平臺金屬熔化 3D打印中小孔的形成，他們在研究中發(fā)現(xiàn)了操作參數(shù)和小孔之間的簡化關(guān)系。這一發(fā)現(xiàn)將可能有助于防止小孔的形成。研發(fā)團(tuán)隊根據(jù)研發(fā)成果發(fā)表了題為“Keyhole threshold and morphology in laser melting revealed byultrahigh-speed x-ray imaging “的論文，該論文發(fā)表在Science 雜志中。

預(yù)測

導(dǎo)致小孔的因素

研究人員在論文中總結(jié)到，通過高能X射線直接觀察小孔的表象和動力學(xué)表明：

（i）粉末平臺激光熔融過程中使用的功率和掃描速度范圍內(nèi)，小孔現(xiàn)象都是存在的；

（ii）基于激光功率比重，從傳導(dǎo)模式到小孔有明確的閾值; 

 (iii) 小孔現(xiàn)象按照以下順序形成：汽化，液面下降，不穩(wěn)定，形成小孔。在研究中，研究人員使用Ti-6Al-4V3D打印粉末作為樣品，希望增強對于金屬3D打印過程中產(chǎn)生的小孔的理解，對于小孔的研究能夠更好的進(jìn)行粉末平臺激光熔融這一3D打印工藝的質(zhì)量控制，并且更好地使用這類打印設(shè)備。

蒸汽凹陷形成的小孔X射線圖像，來源Science

研發(fā)團(tuán)隊的目標(biāo)之一是觀察到高功率激光加熱金屬的過程中金屬本身發(fā)生了什么，為實現(xiàn)研究目標(biāo)，研究人員使用了美國能源部（DOE）先進(jìn)光子源（APS）開發(fā)的超高速X射線同步加速器成像來觀察粉末平臺激光熔融過程中發(fā)生的微觀變化。

實驗中使用的超高速X射線同步加速器成像的示意圖，來源阿貢國家實驗室

同步加速器成像是一種非破壞性分析，可觀察到物體（特別是微小組成，如粒子）的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

在不同激光功率強度下測量的小孔深度，來源Science

通過觀察這些變化，研究人員可以預(yù)測小孔的某些特性，比如說深度，并以此調(diào)整設(shè)備的參數(shù)。

小孔深度、前壁角度和激光功率之間的關(guān)系，來源Science

通過該方法，研究人員能夠預(yù)測導(dǎo)致小孔的因素，這意味著如能規(guī)避這些因素，將提高粉末平臺激光熔融3D打印的質(zhì)量，得到更好的打印結(jié)果。

總結(jié)

對于如何減少甚至消除粉末平臺激光熔融金屬3D打印技術(shù)所帶來的毛孔的問題是科研員們一直努力的方向，包括調(diào)整加工參數(shù)，包括過程中工藝監(jiān)測和質(zhì)量控制等等。卡內(nèi)基梅隆大學(xué)在這方面做了大量研究。比如說，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)材料科學(xué)與工程系教授Tony Rollett通過巨大的同步X射線輻射機，足以看到百萬分之一米的金屬內(nèi)部細(xì)節(jié)。X射線掃描金屬3D打印的數(shù)據(jù)被送回匹茲堡來分析金屬打印結(jié)果與打印參數(shù)之間的關(guān)系。科研員們能夠通過同步加速器來研究各種各樣的材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，包括聚合物、生物醫(yī)學(xué)活檢和合金。該小組檢查了3D打印的金屬，金屬內(nèi)部的毛孔是肉眼難以察覺的，甚至小到難以檢測到。而Tony Rollett教授的職業(yè)生涯就專注于通過研究材料的微觀結(jié)構(gòu)來研究材料的性能如抗疲勞強度等。而金屬3D打印的目標(biāo)是融入到世界的主流制造應(yīng)用過程中，如航空航天部件，生物醫(yī)學(xué)植入物，和高性能的汽車。研究如何控制金屬內(nèi)部的結(jié)構(gòu)與金屬的3D打印的質(zhì)量息息相關(guān)。

卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的這項研究表明大多數(shù)3D打印鈦孔隙率可以通過調(diào)整機器的工藝參數(shù)來消除。更少的毛孔意味著更強大、更可靠的終端部件。

來源：中國3D打印網(wǎng)