卡內基梅隆大學通過高速X射線成像研究SLM 3D打印中小孔的成因

魔猴君  行業資訊   2092天前

在粉末平臺選區激光熔融（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打印技術發展中所面臨的一個重要課題。根魔猴網了解，來自美國卡內基梅隆大學和美國阿貢國家實驗室的研發團隊使用高速X射線成像技術來研究粉末平臺金屬熔化 3D打印中小孔的形成，他們在研究中發現了操作參數和小孔之間的簡化關系。這一發現將可能有助于防止小孔的形成。研發團隊根據研發成果發表了題為“Keyhole threshold and morphology in laser melting revealed byultrahigh-speed x-ray imaging “的論文，該論文發表在Science 雜志中。

預測

導致小孔的因素

研究人員在論文中總結到，通過高能X射線直接觀察小孔的表象和動力學表明：

（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，小孔現象都是存在的；

（ii）基于激光功率比重，從傳導模式到小孔有明確的閾值; 

 (iii) 小孔現象按照以下順序形成：汽化，液面下降，不穩定，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打印過程中產生的小孔的理解，對于小孔的研究能夠更好的進行粉末平臺激光熔融這一3D打印工藝的質量控制，并且更好地使用這類打印設備。

蒸汽凹陷形成的小孔X射線圖像，來源Science

研發團隊的目標之一是觀察到高功率激光加熱金屬的過程中金屬本身發生了什么，為實現研究目標，研究人員使用了美國能源部（DOE）先進光子源（APS）開發的超高速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）的內部結構。

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，研究人員可以預測小孔的某些特性，比如說深度，并以此調整設備的參數。

小孔深度、前壁角度和激光功率之間的關系，來源Science

通過該方法，研究人員能夠預測導致小孔的因素，這意味著如能規避這些因素，將提高粉末平臺激光熔融3D打印的質量，得到更好的打印結果。

總結

對于如何減少甚至消除粉末平臺激光熔融金屬3D打印技術所帶來的毛孔的問題是科研員們一直努力的方向，包括調整加工參數，包括過程中工藝監測和質量控制等等。卡內基梅隆大學在這方面做了大量研究。比如說，卡內基梅隆大學材料科學與工程系教授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部細節。X射線掃描金屬3D打印的數據被送回匹茲堡來分析金屬打印結果與打印參數之間的關系。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部結構，包括聚合物、生物醫學活檢和合金。該小組檢查了3D打印的金屬，金屬內部的毛孔是肉眼難以察覺的，甚至小到難以檢測到。而Tony Rollett教授的職業生涯就專注于通過研究材料的微觀結構來研究材料的性能如抗疲勞強度等。而金屬3D打印的目標是融入到世界的主流制造應用過程中，如航空航天部件，生物醫學植入物，和高性能的汽車。研究如何控制金屬內部的結構與金屬的3D打印的質量息息相關。

卡內基梅隆大學的這項研究表明大多數3D打印鈦孔隙率可以通過調整機器的工藝參數來消除。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