科学家对金属 3D 打印提出新见解

3D 打印为工程师开辟了激动人心的新途径，并迫使产品设计师重新构想可能性。在世界任何地方使用高级合金打印复杂金属部件的能力无疑令人印象深刻，但并非没有缺陷。现在，赫瑞瓦特大学的科学家与卡内基梅隆大学和美国阿贡国家实验室合作，对这一过程有了新的认识，这有望使金属 3D 打印对制造商来说越来越可行，并且是一种更可持续的选择。​​增材制造3D 打印的技术名称，包含多种材料加工技术，其中应用最广泛的是激光粉末床熔化 (LPBF)。它的工作原理是散布薄薄的金属粉末颗粒层，这些金属粉末颗粒通过高功率激光发出的强热结合在一起。但这个过程会导致形成削弱整体结构的微小孔隙。这是工业的一个主要缺点，特别是当需要一致的基础上高度可靠的组件时。在过去的三年里，来自爱丁堡赫瑞瓦特大学光子学和量子科学研究所的科学家们领导了一个研究项目，研究 LPBF 过程背后的基础物理学，以及如何利用这种理解来减轻印刷缺陷部分。合成图像显示了激光羽流和凹陷的演变。金属物质从受辐照表面蒸发导致形成凹陷（下图）和羽状物（上图），它们最初是稳定的，随着能量在材料中的积累而变得不稳定。赫瑞瓦特大学光子学和量子科学研究所助理研究员 Ioannis Bitharas 博士解释说：“我们的研究可视化了当激光与金属颗粒相互作用时存在的所有物质状态之间的相互作用。”在添加过程中在简化制造过程中，将高功率激光应用于金属会在颗粒融合在一起时形成一小块液态金属。在此阶段，少量金属蒸发并挤压液体，在熔池中心形成空腔。这个空腔，通常被称为小孔，会变得不稳定和塌陷，导致材料中出现孔隙。与此同时，蒸汽从钥匙孔向上喷射，形成羽流，与颗粒相互作用并可能扰乱扩散层。许多制造商。“我们拍摄的图像首次提供了这种相互作用的完整画面，现在我们可以确定地告诉我们正在发生什么。”通过同时使用 X 射线和纹影成像，该团队分析了相互作用在气体、蒸气、液体之间打印过程中存在的 id 和固相。他们发现金属蒸发释放的蒸气羽流的行为与熔融材料的整体稳定性之间存在直接联系。羽流越动态，材料就越不稳定和多孔。但通过微调激光参数，例如调整其功率、聚焦光斑大小和扫描速度，该团队发现他们可以控制羽流和熔池的稳定性，从而使印刷结构更加一致。使用羽流作为可以可视化和监控的“过程特征”对于依赖高性能组件的各种行业（例如航空航天、汽车、医疗保健和国防）具有令人兴奋的新潜力，Andrew Moore 教授领导光子学研究所的光学诊断小组和赫瑞瓦特大学的量子科学，从一开始就参与了这个研究项目。他说：“尽管显示出巨大的希望，但打印部件中的缺陷仍然阻碍金属增材制造发挥其潜力。迄今为止，研究主要集中在根据液态金属或颗粒的行为检测和预测缺陷，往往忽略了熔池上方产生的蒸汽射流和羽流的影响。“我们的发现为 3D 打印带来了令人兴奋的新前景：我们可以大大减少这些缺陷并生产出故障可能性小得多的组件。我们相信，这项工作将有助于创建改进的过程监控和分析工具，以识别和防止金属增材制造中的缺陷。此外，它将支持更具预测性的多物理场模型，其中包括大气效应和粉末运动，从而允许对工艺图进行准确的先验计算。无线赫瑞瓦特大学。该团队将继续与雷尼绍合作，利用这些新见解改进未来的 3D 打印机。赫瑞瓦特团队的研究文章题为“激光粉末床熔合中气相、液相和固相之间的相互作用”，发表于今天（5 月 26 日）发表在科学杂志 Nature Communications 上。在这里阅读更多我们的创新故事