激光粉末床熔合是占主导地位的增材制造技术,尚未发挥其潜力。工业面临的问题是在印刷过程中有时会形成微小的气泡或孔,这些孔在最终产品中形成薄弱点。

3D打印制造过程中如何避免出现气泡或孔?

在零件的3D打印过程中,当低速高功率激光器正在熔化金属粉末时,会在熔池中形成钥匙孔形的空腔。孔(即缺陷)形成在锁孔的底部。发表在《科学》杂志上的新研究揭示了孔是如何产生的,并变成了凝固在金属中的缺陷。


卡内基梅隆大学工程学院材料科学与工程学教授,《科学》的主要合著者安东尼·D·罗莱特说:“这项研究的真正实际价值在于,我们可以精确地控制机器来避免此问题。”


在量化锁孔现象的先前研究的基础上,研究团队使用了非常明亮的高能X射线成像技术来观察锁孔的不稳定性。孔在钥匙孔波动期间形成,并改变其形状:钥匙孔尖端变形为“ J”形并被夹住。这种不稳定的行为会在液态金属中产生声波,从而迫使孔远离键孔,从而使它们存活足够长的时间,从而被困在固化金属中。该团队是第一个专注于这种行为并确定正在发生什么的团队。


“当您有一个深的钥匙孔时,墙壁会强烈振荡。有时,在钥匙孔底部的振动足够强,它们会被夹住,在后面留下一个大气泡。有时候,该气泡永远不会重新连接到主要的钥匙孔。会产生声波。这会将剩余的毛孔推离锁孔。” Rollett解释说。


重要的是要注意,锁眼本身并不是缺陷,例如,它们可以提高激光的效率。他们注意到,研究人员可以使用同步辐射X射线设备,他们注意到,稳定和不稳定的锁眼之间存在明确的界限。


Rollett说:“只要您远离危险区域(即太热,太慢),留下缺陷的风险就很小。”


锁孔深度的波动会随着边界处不稳定一侧的扫描速度和激光功率的降低而大大增加。


“您可以将边界视为限速,除非它与驾驶汽车相反。在这种情况下,您越慢越会变得危险。如果您低于限速,则几乎可以肯定缺陷。”


在更广泛的范围内,通过证明存在定义明确的锁孔孔隙度边界并展示其再现能力,科学可以为预测和改进印刷工艺提供更安全的基础。卡内基梅隆大学下一个制造中心的教务主任罗莱特认为,这项研究的发现将很快找到他们公司如何操作其3D打印机的方式。


研究团队包括弗吉尼亚大学的共同主要作者陶涛;赵苍,清华大学,中国;尼古拉·帕拉布(Niranjan D. 李晓晓和谭文达,犹他大学。


资金来源包括能源部,国防部,美国国家航空航天局(NASA)大学领导计划,国家科学基金会,以及清华大学和弗吉尼亚大学机械工程系的启动资金。


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