劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究人员和SLAC国家加速器实验室(SLAC)的科学家们发现了一种解决金属3d打印部件主要缺陷的方法。
Combining high-performance computer simulations with X-ray imaging of the laser powder bed fusion (LBPF) metal additive manufacturing (AM) process obtained with SLAC’s synchrotron, researchers have found a way to negate the formation of pores — tiny holes created under the surface of a build that can initiate cracking in the finished part under stress. The mitigation strategy involves reducing the power of the laser as it slows down to make its turn along the serpentine path it takes to scan and build a metal layer. By varying the laser power throughout the build, they found, they could keep the laser’s depression depth shallow and constant. The research is described in the journal自然通信，4月30日在线发布。
“我们发现，在这个区域的末端，有大量的气孔，这影响材料质量。我们已经有了模拟结果，我们需要一些实验验证，”该研究的主要作者、LLNL研究员艾登·马丁解释说。“我们现在有一个缓解策略，我们测量激光转弯时的速度，并在转弯过程中动态改变功率。如果我们知道了速度，我们就可以调整激光的功率，这样就可以使表面的凹陷保持良好和稳定，我们就不会得到形成末端毛孔的凹陷。”
研究人员发现，在打印过程中，当激光熔化金属粉末并转弯时，激光的功率密度会增强，穿透表面深处，形成一个“小孔凹陷”，并在凝固的金属中留下微小的气泡。这些气泡会在印刷品表面下形成小孔。
“这是一个已知的问题，但这是第一次证明我们可以以一种预测的方式纠正它，”首席研究员伊博·马修斯(Ibo Matthews)说，他已经分析熔化池动态了几年。“最重要的是，当激光加速离开弯道时，气孔总是在特定的时间点产生的。这个时机相当有趣。假设孔隙只在熔池的最深处形成。转弯后出现毛孔的事实让所有人都感到惊讶。”
Matthews说，该团队开发的缓解技术是与实验室的“智能前馈”策略相关联的一套工具的一部分，该策略严重依赖于打印前的模拟和模型验证，已经被汽车和航空航天等行业的公司采用。研究人员表示，该策略可以应用于“几乎任何商业机器”，通过3D切片软件构建功率图，将计算机辅助设计(CAD)文件定义的参数转换为机器指令。
LLNL的计算机科学家Saad Khairallah使用名为al3d的多物理代码开发了缓解策略背后的仿真模型。模型中进一步增加了激光追踪，提高了预测的保真度。
“解决问题的方式正在为您的模拟添加”巡航控制“，”Khairallah说。“我简单地讲述了模拟，以保持熔池深度常数。这解决了问题。你没有看到毛孔;你没有看到keyholes。作为额外的好处，您可以获得电源图 - 仿真模型的输出，表示沿着轨道的位置所需的功率，以防止孔隙形成。“
当激光扫描部分时，检查孔隙度的最好方法之一是使用x射线来观察熔池表面以下的情况。LLNL和SLAC的研究人员利用一个在LLNL建造的试验室，使研究人员能够扩散一层薄薄的粉末，从而捕捉到激光在同步加速器束上扫描的图像。受模拟结果和功率图的启发，他们进行了实验，显示了当保持激光功率恒定时，表面下的孔隙形成，以及当他们在拐弯处降低功率时，没有孔隙的熔池深度一致。然后将实验结果与模拟结果进行比较，以验证其正确性。
研究人员所说的工作提供了进一步了解激光粉末融合过程，并展示了基于科学的方法，以提高通过该过程产生的金属部件的信心。
“毛孔是失败的真正引发剂，如裂缝和孔隙位点发生的其他过程，”马丁说。“所以，如果我们可以消除部分毛孔，我们有更难的部分，我们最终可以获得使用。”
由于激光粉末床聚变是许多大型汽车和航空航天公司首选的金属3D打印方法，马丁说，他预计缓解策略将被工业采用。
“现在，它需要额外的电子产品，但在未来，它可能是可以直接融入软件中的东西，”马丁说。“我们希望有一些可以慢慢纳入构建的微调。”
该团队的下一步是将该策略合并到实际的部件构建中，这可能涉及更复杂的扫描模式。Matthews说他们有兴趣利用这些方法来打印晶格结构，并利用热、声和层析方法来检测多层部件中孔隙开始形成的位置。
这项工作得到了能源部先进制造办公室的资助，该办公室隶属于能源效率和可再生能源办公室。艾姆斯实验室参与了相关工作，完成了定向能打印过程中用于原位x射线表征的送粉系统的设计，并参与了x射线衍射研究。
其他LLNL贡献者包括Nick Calta，Jenny Wang，Phil Depond，Gabe Guss和Tony Van Buuren。SLAC协作者是安东尼奉，Vivek Phampy，Andrew Kiss，Kevin Stone，Christopher Tassone，Johanna Weker和Michael Toney。AMES团队包括研究人员Matthew Kramer和Ryan Ott。
金属粉末工业联合会
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