日前，來(lái)自美國(guó)勞倫斯·利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室(LLNL)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)宣布，他們正在研究一項(xiàng)困擾著常見金屬3D打印技術(shù)的重大問(wèn)題。據(jù)悉，他們的發(fā)現(xiàn)將發(fā)表在8月份的《Acta Materialia》，并有可能加快3D打印技術(shù)的應(yīng)用。

Ibo Mathews是LLNL的一位首席研究員和這項(xiàng)研究項(xiàng)目的合著者。Mathews是在麻省理工學(xué)院(MIT)完成的實(shí)驗(yàn)性凝聚態(tài)物理博士學(xué)位，在隨后的十年里他大部分時(shí)間都在著名的貝爾實(shí)驗(yàn)室里度過(guò)的。他擁有數(shù)項(xiàng)專利，其中包括激光誘導(dǎo)氣體等離子加工等。他近研究集中在一項(xiàng)使用很廣泛的3D打印技術(shù)上，這項(xiàng)技術(shù)就是粉床融熔(PBF，powder bed fusion)。

據(jù)了解，基于PBF的3D打印技術(shù)在市場(chǎng)上有幾種形式，比如EOS的直接金屬激光燒結(jié)(DMLS)、Arcam的電子束熔融(EBM)、SLM Solutions的多光束選擇性激光熔融(SLM)等。像Stratasys在其德州Austin的合同制造工廠里就有很多臺(tái)DMLS機(jī)器。

Ibo Mathews(左)在調(diào)整一個(gè)4KW的激光器

重要的新見解

當(dāng)這個(gè)增材制造研究項(xiàng)目開始的時(shí)候，Mathews就雄心勃勃地期望獲得開創(chuàng)性的成果。他說(shuō)這項(xiàng)研究“力求在基于金屬的增材制造領(lǐng)域進(jìn)行前所未有的更多、更詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究?！倍撗芯繄F(tuán)隊(duì)即將發(fā)表的文章也代表了他們?cè)陬A(yù)測(cè)和小化金屬增材制造零部件無(wú)效缺陷和表面粗糙度方面的新見解。

眾所周知，在增材制造金屬零部的過(guò)程中的快速加熱和使用激光生成的高溫能夠提高零部件的強(qiáng)度，但是同樣的也可能導(dǎo)致空隙或毛孔，從而削弱該零部件。據(jù)悉，這些缺陷的主要原因是金屬粉末的不完全融化，或者強(qiáng)烈的汽化所導(dǎo)致的“鎖眼型”熔化。

激光功率、光束尺寸、掃描速度和開口間距(hatch spacing)——這些統(tǒng)稱為掃描策略，是用于確定終的孔隙度和孔隙的存在的所有變量。

與該研究相關(guān)的另外一個(gè)研究項(xiàng)目——LLNL的金屬增材制造加速認(rèn)證項(xiàng)目——負(fù)責(zé)人Wayne King評(píng)論說(shuō)：“如果我們想要將零部件投入關(guān)鍵應(yīng)用，那么它們就必須符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。我們的項(xiàng)目主要專注于在科學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展對(duì)于增材制造過(guò)程的理解，從而建立增材制造零部件質(zhì)量的可信度?！?/span>

King也是這一新論文的共同作者之一，并參與了該項(xiàng)目的算法開發(fā)以解決3D打印金屬零部件的表面粗糙度、殘余應(yīng)力、孔隙和微裂縫等問(wèn)題。這個(gè)項(xiàng)目是在2015年3月與通用電氣(GE)合作開始的。America Makes為此提供了54萬(wàn)美元的資金并且設(shè)定了18個(gè)月的成果交付時(shí)間。

GE公司首席研究員Bill Carter證實(shí)，該算法項(xiàng)目正在如期進(jìn)行，其軟件將會(huì)在今年9月提供給America Makes成員。

一旦算法完成，他們將會(huì)在一種開源授權(quán)許可的條件之下將其公布出去。Matthews預(yù)期這將導(dǎo)致增材制造行業(yè)的更大飛躍。終完成的軟件模型將能夠評(píng)估金屬粉末是如何形成一個(gè)熔池及其在固化之前的所有行為。King說(shuō)：“這些模型將使金屬增材制造遠(yuǎn)離經(jīng)驗(yàn)主義，并朝著更加科學(xué)的方向邁出一大步?！?/span>

預(yù)測(cè)模型將推動(dòng)技術(shù)更快地進(jìn)步

質(zhì)量檢驗(yàn)和認(rèn)證是一項(xiàng)新材料和得以應(yīng)用的基礎(chǔ)。如果沒有準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)模型，那么質(zhì)量檢驗(yàn)和認(rèn)證將變得*麻煩，增材制造的優(yōu)勢(shì)就很難體現(xiàn)出來(lái)。

為了了解金屬3D打印過(guò)程中的問(wèn)題是如何產(chǎn)生的，LLNL使用了超高速攝像機(jī)分別記錄了600W光纖激光器熔化Ti64鈦合金、316 L不銹鋼和純鋁粉末的過(guò)程。這些實(shí)驗(yàn)是在一個(gè)激光束功率和氣壓可變的構(gòu)建室里進(jìn)行的。

Matthews解釋說(shuō)：“從這些單軌道實(shí)驗(yàn)中收集到的數(shù)據(jù)正在幫助指導(dǎo)來(lái)自Fraunhofer研究所的機(jī)器構(gòu)建自定義的對(duì)象，而且這些實(shí)驗(yàn)是在開源代碼的基礎(chǔ)上進(jìn)行的?！?/span>

GE公司的Bill Carter解釋說(shuō)，F(xiàn)raunhofer研究所的基于激光的粉床融熔研發(fā)平臺(tái)是必要的，因?yàn)椤吧虡I(yè)性的SLM機(jī)器不允許用戶訪問(wèn)特定參數(shù)信息和工具路徑”，這就使研究人員在受控實(shí)驗(yàn)條件的變量受到了限制。

據(jù)了解，這些超高速攝像機(jī)以每秒50萬(wàn)幀的速度展示了激光掃描是如何改變金屬粉末的，這一粉末變化的區(qū)域被稱為剝蝕區(qū)(DZ)。這些珍貴的記錄詳細(xì)地描述了DZ是如何產(chǎn)生和變化的。這些數(shù)據(jù)在以前的學(xué)術(shù)文獻(xiàn)中均無(wú)記載。

作者們還發(fā)現(xiàn)，“在一個(gè)熔融軌跡附近“剝蝕”粉末的主要驅(qū)動(dòng)力是其周圍氣流所夾帶的顆?！?。該報(bào)告繼續(xù)說(shuō)：“導(dǎo)致氣流發(fā)生的原因是激光斑內(nèi)產(chǎn)生的強(qiáng)烈蒸發(fā)現(xiàn)象以及與伯努利效應(yīng)(Bernoulli effect)相關(guān)的因蒸汽噴射而導(dǎo)致的氣壓下降?！?/span>

該研究報(bào)告還發(fā)現(xiàn)，通過(guò)將壓強(qiáng)從760降到10 Torr，DZ的寬度將增加2倍。而在2.2 Torr的壓力下，“DZ的邊緣是*清晰的，而且相對(duì)沒有粉末”。

“蒸汽導(dǎo)致的夾帶”將金屬粉末拖到該區(qū)域，在這里它們被融化，形成所需的部件，而且還會(huì)導(dǎo)致顆粒“逆著激光掃描的方向垂直彈出”。這種相互矛盾的效應(yīng)會(huì)造成粉末顆粒要么越來(lái)越接近激光，要么越來(lái)越遠(yuǎn)離激光。

除此之外，當(dāng)激光熔融這些粉末時(shí)，還會(huì)出現(xiàn)幾個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。金屬熔池的表面張力和毛細(xì)管原理驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)會(huì)增加激光光束之上的熔融軌跡寬度。此外，如果熔池的表面超過(guò)沸點(diǎn)，蒸汽反沖勢(shì)頭將會(huì)發(fā)生，這將進(jìn)一步擴(kuò)展熔池。

然而，即使熔池的溫度冷卻下來(lái)，其產(chǎn)生的氣流超出熔池的部分也會(huì)給它帶來(lái)金屬顆粒。而冷卻的熔池意味著這些顆粒不會(huì)完全熔化。這一現(xiàn)象也是首次在科研文獻(xiàn)中被公開，據(jù)信這就是金屬3D打印部件表面粗糙度和孔隙產(chǎn)生的原因。

科學(xué)家們稱，這項(xiàng)研究*重要，因?yàn)閷?duì)于構(gòu)建空間內(nèi)不斷變化的環(huán)境條件的了解可以讓系統(tǒng)獲得對(duì)金屬3D打印對(duì)象更的控制，從而可以實(shí)現(xiàn)耐用部件的可重復(fù)打印。