金屬3D打印最新Science：控制金屬3D打印中相互依賴的中納秒級動力學和缺陷生成

木文韜 3年前 (2020-05-08) 25910瀏覽

【引言】

激光粉末床熔融增材制造（L-PBF AM）技術使用激光束在微觀（~15至100μm）金屬粉末的平板上掃描二維圖案。這形成了熔池軌跡，與下層熔融。重復執行數千次分層過程會生成3D對象。迫切需要了解和控制激光工藝參數與復雜的粉末和熔池動力學之間的相互依賴性。這有助于解決可變性問題，在可變性問題中，印刷零件不能重復滿足通過鑒定和認證步驟所需的標準。這種可變性是由于在每一層掃描過程中，在粉末層和熔池中隨機產生的各種缺陷（如氣孔）的累積造成的。在粉末床層的研究發現，由蒸汽驅動的混沌粉末動力學以每秒幾百米的速度逸出熔池凹陷。這種高的蒸氣通量會產生復雜的氣流，從而帶走散布在激光軌道兩側的松散粉末顆粒。此過程有時會導致較大的剝蝕區域，其中沒有粉末，并導致肉眼觀察到的85%的粒子飛濺成為火花。X射線成像顯示，飛濺粒子的速度可以達到~15 m/ s，并且在不同的環境壓力下形成。因此，減少飛濺是L-PBF的重中之重。生產沒有這些缺陷的零件仍然具有挑戰性。少量微孔的存在會影響機械性能，即使對于密度超過99%的零件也是如此。探測熔池是通過超高速X射線技術完成的，但這些仍然缺乏完全捕獲熔池形態和微孔動力學的超快動力學所需的空間和時間分辨率。

【成果簡介】

今日，在美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室Saad A Khairallah計算工程師團隊等人（通訊作者）帶領下，與美國空軍研究實驗室、美國UES公司和美國巴恩斯集團合作，使用高保真模擬，結合同步輻射實驗，在中納秒尺度上捕捉快速多瞬態動力學，并發現了新的飛濺引起的缺陷形成機制，這些缺陷的形成機制取決于掃描策略和激光跟蹤和噴射之間的競爭。最后得出了穩定熔池動力學和最小化缺陷的標準，這將有助于提高構建的可靠性。相關成果以題為“Controlling interdependent meso-nanosecond dynamics and defect generation in metal 3D printing”發表在了Science。