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使用羽流监测熔池状态,金属3D打印新见解

来源:Ringier 发布时间:2022-06-21 277
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3D打印为工程师开辟了令人兴奋的新途径,并让产品设计师可以设计复杂结构的零件。

3D打印为工程师开辟了令人兴奋的新途径,并让产品设计师可以设计复杂结构的零件。在世界任何地方使用先进合金打印复杂金属零件的能力无疑令人印象深刻,但并非没有缺陷。


现在,英国赫瑞瓦特大学的科学家与卡内基梅隆大学和美国阿贡国家实验室合作,对这一过程有了新的认识,有望使金属3D打印对制造商而言成为一种更可持续的选择。


3D打印的技术名称“增材制造”包括多种材料加工技术,其中最广泛采用的是激光粉末床熔融(LPBF)。它的工作原理是将金属粉末颗粒薄层铺开,这些粉末通过高功率激光发出的强烈热量粘合在一起。但这一过程可能导致形成微小的孔隙,从而削弱整体结构的性能。


这是行业的一个主要缺点,尤其是当需要一致的高可靠性组件时。在过去三年中,赫瑞瓦特大学光子学和量子科学研究所的科学家领导了一个研究项目,研究了LPBF过程背后的基本物理特征,以及如何利用这一认识来缓解3D打印零件中的缺陷。研究所副研究员Ioannis Bitharas博士解释说:“我们的研究,实现了对激光与金属粒子相互作用时物质状态之间相互作用的可视化。”


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图像显示了激光羽流和凹陷的演变


他进一步指出,在打印的过程中,当粒子融合在一起时,对金属应用高功率激光将产生一个液态金属小池。在此阶段,少量金属蒸发并压向液体,在熔池中心形成一个空腔。这个空腔通常被称为锁孔,可能变得不稳定和塌陷,从而在材料中形成气孔。与此同时,蒸汽从锁孔向上喷射形成羽流,在与粒子相互作用下干扰了扩散层。


对于需要规模制造的厂商来说,组件在生产过程中产生的微小缺陷是无法接受的。因此,LPBF过程对材料产生的气孔,成为行业需要克服的一大技术难点。而在真正解决问题前,研究人员需要通过图像的形式获取完整的动态画面。


通过同时使用X射线和纹影成像,该团队分析了打印过程中存在的气体、蒸汽、液体和固相之间的相互作用。他们发现,通过金属蒸发释放的蒸汽羽流与熔融材料的整体稳定性之间存在直接联系。


羽流越活跃,材料越不稳定,气孔越多。但通过微调激光参数,如调整功率、聚焦光斑大小和扫描速度,研究小组发现它们可以控制羽流和熔池的稳定性,使打印结构更加一致。使用羽流作为可视化和监控的过程特征,对于依赖高性能组件的行业如航空航天、汽车、医疗保健和国防而言,具有令人兴奋的新潜力。


Andrew Moore教授领导的光学诊断小组从一开始就参与了这一研究项目。他说:“尽管显示出巨大的前景,但打印零件中的缺陷仍然阻碍了金属增材制造工艺的发展。到目前为止,研究重点是根据液态金属或颗粒的行为来检测和预测缺陷,往往忽视了熔池上方产生的蒸汽喷射和羽流的影响。


“我们的发现为金属3D打印带来了令人兴奋的新前景。我们相信,这项工作将有助于创建改进的过程监控和分析工具,以识别和防止打印零件过程中形成缺陷。此外,它将支持一类更具预测性的多物理模型,其中包括大气效应和粉末运动,允许对流程图进行精确的先验计算。


目前,英国唯一的LPBF系统制造商雷尼绍与赫瑞瓦特大学结成战略联盟,部分支持了这项工作。该团队将继续与雷尼绍合作,利用这些新见解改进未来的3D打印设备。研究团队的研究文章《激光粉末床聚变中蒸汽、液体和固相之间的相互作用》发表在科学杂志《自然通讯》上。

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