金屬3D列印基礎研究獲重大突破！

日前，來自美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的一個研究團隊宣布，他們正在研究一項困擾著常見金屬3D列印技術的重大問題。據悉，他們的發現將發表在8月份的《Acta Materialia》，並有可能加快3D列印技術的應用。

Ibo Mathews是LLNL的一位首席研究員和這項研究項目的合著者。Mathews是在麻省理工學院（MIT）完成的實驗性凝聚態物理博士學位，在隨後的十年里他大部分時間都在著名的貝爾實驗室里度過的。他擁有數項專利，其中包括激光誘導氣體等離子加工等。他最近研究重點集中在一項使用很廣泛的3D列印技術上，這項技術就是粉床融熔（PBF，powder bed fusion）。

據了解，基於PBF的3D列印技術在市場上有幾種形式，比如EOS的直接金屬激光燒結（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的合同製造工廠里就有很多台DMLS機器。

Ibo Mathews（左）在調整一個4KW的激光器

重要的新見解

當這個增材製造研究項目開始的時候，Mathews就雄心勃勃地期望獲得開創性的成果。他說這項研究「力求在基於金屬的增材製造領域進行前所未有的更多、更詳細的實驗研究。」而該研究團隊即將發表的文章也代表了他們在預測和最小化金屬增材製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，在增材製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度，但是同樣的工藝也可能導致空隙或毛孔，從而削弱該零部件。這些缺陷的主要原因是金屬粉末的不完全融化，或者強烈的汽化所導致的「鎖眼型」熔化。

激光功率、光束尺寸、掃描速度和開口間距（hatch spacing）——這些統稱為掃描策略，是用於確定最終的孔隙度和孔隙的存在的所有變數。

與該研究相關的另外一個研究項目——LLNL的金屬增材製造加速認證項目——負責人Wayne King評論說：「如果我們想要將零部件投入關鍵應用，那麼它們就必須符合質量標準。我們的項目主要專註於在科學的基礎上發展對於增材製造過程的理解，從而建立增材製造零部件質量的可信度。」

King也是這一新論文的共同作者之一，並參與了該項目的演算法開發以解決3D列印金屬零部件的表面粗糙度、殘餘應力、孔隙和微裂縫等問題。這個項目是在2015年3月與通用電氣（GE）合作開始的。America Makes為此提供了54萬美元的資金並且設定了18個月的成果交付時間。

GE公司首席研究員Bill Carter證實，該演算法項目正在如期進行，其軟體將會在今年9月提供給America Makes成員。

一旦演算法完成，他們將會在一種開源授權許可的條件之下將其公布出去。Matthews預期這將導致增材製造行業的更大飛躍。最終完成的軟體模型將能夠全面評估金屬粉末是如何形成一個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製造遠離經驗主義，並朝著更加科學的方向邁出一大步。」

預測模型將推動技術更快地進步

質量檢驗和認證是一項新材料和工藝得以應用的基礎。如果沒有準確的預測模型，那麼質量檢驗和認證將變得非常麻煩，增材製造的優勢就很難體現出來。

為了了解金屬3D列印過程中的問題是如何產生的，LLNL使用了超高速攝像機分別記錄了600W光纖激光器熔化Ti64鈦合金、316 L不鏽鋼和純鋁粉末的過程。這些實驗是在一個激光束功率和氣壓可變的構建室里進行的。

Matthews解釋說：「從這些單軌道實驗中收集到的數據正在幫助指導來自Fraunhofer研究所的機器構建自定義的對象，而且這些實驗是在開源代碼的基礎上進行的。」

GE公司的Bill Carter解釋說，Fraunhofer研究所的基於激光的粉床融熔研發平台是必要的，因為「商業性的SLM機器不允許用戶訪問特定工藝參數信息和工具路徑」，這就使研究人員在受控實驗條件的變數受到了限制。

據悉，這些超高速攝像機以每秒50萬幀的速度展示了激光掃描是如何改變金屬粉末的，這一粉末變化的區域被稱為剝蝕區（DZ）。這些珍貴的記錄詳細地描述了DZ是如何產生和變化的。這些數據在以前的學術文獻中均無記載。

作者們還發現，「在一個熔融軌跡附近「剝蝕」粉末的主要驅動力是其周圍氣流所夾帶的顆粒」。該報告繼續說：「導致氣流發生的原因是激光斑內產生的強烈蒸發現象以及與伯努利效應（Bernoulli effect）相關的因蒸汽噴射而導致的氣壓下降。」

該研究報告還發現，通過將壓強從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，而且相對沒有粉末」。

「蒸汽導致的夾帶」將金屬粉末拖到該區域，在這裡它們被融化，形成所需的部件，而且還會導致顆粒「逆著激光掃描的方向垂直彈出」。這種相互矛盾的效應會造成粉末顆粒要麼越來越接近激光，要麼越來越遠離激光。

除此之外，當激光熔融這些粉末時，還會出現幾個複雜的過程。金屬熔池的表面張力和毛細管原理驅動的運動會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，蒸汽反衝勢頭將會發生，這將進一步擴展熔池。

然而，即使熔池的溫度冷卻下來，其產生的氣流超出熔池的部分也會給它帶來金屬顆粒。而冷卻的熔池意味著這些顆粒不會完全熔化。這一現象也是首次在科研文獻中被公開，據信這就是金屬3D列印部件表面粗糙度和孔隙產生的原因。

科學家們稱，這項研究非常重要，因為對於構建空間內不斷變化的環境條件的了解可以讓系統獲得對金屬3D列印對象更精確的控制，從而可以實現耐用部件的可重複列印。

文章來源：天工社

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