日前，來自美國勞倫斯·利弗莫爾國家實(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。他最近研究重點(diǎn)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)小艾了解，基于PBF的3D打印技術(shù)在市場上有幾種形式，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。”而該研究團(tuán)隊(duì)即將發(fā)表的文章也代表了他們?cè)陬A(yù)測和最小化金屬增材制造零部件無效缺陷和表面粗糙度方面的最新見解。

眾所周知，在增材制造金屬零部的過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，但是同樣的工藝也可能導(dǎo)致空隙或毛孔，從而削弱該零部件。據(jù)小艾所知，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，是用于確定最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：“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。最終完成的軟件模型將能夠全面評(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：“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)新材料和工藝得以應(yīng)用的基礎(chǔ)。如果沒有準(zhǔn)確的預(yù)測模型，那么質(zhì)量檢驗(yàn)和認(rèn)證將變得非常麻煩，增材制造的優(yōu)勢就很難體現(xiàn)出來。

為了了解金屬3D打印過程中的問題是如何產(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：“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，Fraunhofer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)器不允許用戶訪問特定工藝參數(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)小艾所知，這些超高速攝像機(jī)以每秒50萬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：“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的邊緣是非常清晰的，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越接近激光，要么越來越遠(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沸點(diǎn)，蒸汽反沖勢頭將會(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，其產(chǎn)生的氣流超出熔池的部分也會(huì)給它帶來金屬顆粒。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)研究非常重要，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)象更精確的控制，從而可以實(shí)現(xiàn)耐用部件的可重復(fù)打印。

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