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卡内基梅隆大学通过高速X射线成像研究SLM 3D打印中小孔的成因

时间:2019-03-02 14:54 来源:3D科学谷 作者:中国3D打印网 阅读:
极光尔沃

      在粉末床选区激光熔化(SLM)3D打印过程中形成的小孔是这一增材制造工艺仍存在的问题,了解缺陷产生的原因并由此找到解决方案,也是粉末床激光熔化3D打印技术发展中所面临的一个重要课题。根据了解,来自美国卡内基梅隆大学和美国阿贡国家实验室的研究团队使用高速X射线成像技术来研究粉末床金属熔化 3D打印中小孔的形成,他们在研究中发现了操作参数和小孔之间的简化关系。这一发现将可能有助于防止小孔的形成。研究团队根据研究成果发表了题为“Keyhole threshold and morphology in laser melting revealed byultrahigh-speed x-ray imaging “的论文,该论文发表在Science 杂志中。

预测

导致小孔的因素

     研究人员在论文中总结到,通过高能X射线直接观察小孔的表象和动力学表明:(i)粉末床激光熔化过程中使用的功率和扫描速度范围内,小孔现象都是存在的;(ii)基于激光功率密度,从传导模式到小孔有明确的阈值; (iii) 小孔现象按照以下顺序形成:汽化,液面下降,不稳定,形成小孔。在研究中,研究人员使用Ti-6Al-4V增材制造粉末作为样品,希望增强对于金属3D打印过程中产生的小孔的理解,对于小孔的研究能够更好的进行粉末床激光熔化这一增材制造工艺的质量控制,并且更好地使用这类打印设备。

vapor depression forming keyhole
蒸汽凹陷形成的小孔X射线图像,来源Science。

     研究团队的目标之一是观察到高功率激光加热金属的过程中金属本身发生了什么,为实现研究目标,研究人员使用了美国能源部(DOE)先进光子源(APS)开发的超高速X射线同步加速器成像来观察粉末床激光熔化过程中发生的微观变化。

A schematic representation of the ultrahigh-speed
实验中使用的超高速X射线同步加速器成像的示意图,来源阿贡国家实验室。

 同步加速器成像是一种非破坏性分析,可观察到物体(特别是微小组成,如粒子)的内部结构。

depth of keyhole
在不同激光功率强度下测量的小孔深度,来源Science。

通过观察这些变化,研究人员可以预测小孔的某些特性,比如说深度,并以此调整设备的参数。

A representation of the relationship
小孔深度、前壁角度和激光功率之间的关系,来源Science。

通过该方法,研究人员能够预测导致小孔的因素,这意味着如能规避这些因素,将提高粉末床激光熔化3D打印的质量,得到更好的打印结果。

Review

     对于如何减少甚至消除粉末床激光熔化金属3D打印技术所带来的毛孔的问题是科学家们一直努力的方向,包括调整加工参数,包括过程中工艺监测和质量控制等等。卡内基梅隆大学在这方面做了大量研究。比如说,卡内基梅隆大学材料科学与工程系教授Tony Rollett通过巨大的同步X射线辐射机,足以看到百万分之一米的金属内部细节。X射线扫描金属3D打印的数据被送回匹兹堡来分析金属打印结果与打印参数之间的关系。科学家们能够通过同步加速器来研究各种各样的材料的内部结构,包括聚合物、生物医学活检和合金。该小组检查了3D打印的金属,金属内部的毛孔是肉眼难以察觉的,甚至小到难以检测到。而Tony Rollett教授的职业生涯就专注于通过研究材料的微观结构来研究材料的性能如抗疲劳强度等。而金属3D打印的目标是融入到世界的主流制造应用过程中,如航空航天部件,生物医学植入物,和高性能的汽车。研究如何控制金属内部的结构与金属的3D打印的质量息息相关。

卡内基梅隆大学的这项研究表明大多数3D打印钛孔隙率可以通过调整机器的工艺参数来消除。更少的毛孔意味着更强大、更可靠的终端部件。

(责任编辑:中国3D打印网)

weixin
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