雖然金屬3D打印對制造業(yè)的影響非常大，但其并非沒有缺點。許多設施正在投入大量資源，以確定金屬3D打印部件出現(xiàn)缺陷的原因，以及如何阻止它們......勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的創(chuàng)新研究人員也對此進行了大量研究。去年冬天，LLNL與艾姆斯實驗室和能源部SLAC國家加速器實驗室的科學家合作，利用X射線研究金屬3D打印過程，并找出這些缺陷來自哪里以及如何防止這些缺陷。

美國能源部能源效率和可再生能源先進制造辦公室對三個實驗室之間的合作項目進行了資助，該實驗室是其年度國家實驗室重大峰會（BIS）的一個分支，通過國家實驗室復合體促進戰(zhàn)略技術規(guī)劃和合作。

這種合作關系希望從美國行業(yè)中獲得更多像這樣的合作項目的興趣，LLNL剛剛提供了一個更新。

金屬3D打印在航空航天和汽車等多個行業(yè)的應用速度緩慢，因為對于這些關鍵部件而言，零件質量和認證不可能完美。LLNL的研究人員進行了多次實驗，以便將許多復雜機制的覆蓋層拉回，這些機制可能會在金屬部件中形成缺陷，SLAC和Ames的最新研究更直接地檢查了哪些因素會導致這些缺陷，以及如何避免這些缺陷。

本月，這份合作關系產(chǎn)生的首個科學論文已發(fā)表在“科學儀器評論”雜志上。這篇論文詳細介紹了研究人員如何使用X射線成像和衍射來觀察金屬部件的內部，同時他們正在使用普通的激光粉末床熔合（LPBF）工藝進行3D打印。

“這是一支非常優(yōu)秀的團隊，因為每個搭檔都會帶來實力。團隊正在建立一種獨特的能力，并提供您無法以任何其他方式獲得的信息?！盠LNL材料科學部科技部副部長Tony Van Buuren談到該項目時說道?！拔覀円黄鹨朐\斷技術、紡織科學，并開發(fā)研究新材料的能力?！?/span>

論文主要作者Nick Calta設計并制造了一款能夠探測熔池的便攜式診斷設備。該設備和方法都在SLAC進行同步輻射光源測試和評估，Calta的團隊能夠成功地觀察表面下熔池的動態(tài)。

“絕大多數(shù)診斷都使用可見光，這是非常有用的，但也僅限于分析零件的表面。如果我們要真正理解這個過程并查看造成缺陷的原因，我們需要一種方法來滲透樣本。這臺儀器可以讓我們做到這一點，”Calta說。

Calta解釋說，合作團隊很難在積極的時間表上構建便攜式現(xiàn)場診斷機。首先，LLNL的研究人員必須將設備運輸?shù)絊LAC，并使用同步加速器來創(chuàng)建研究樣品所需的X射線通量和高能量X射線，這些X射線衍射和成像提供了有用的數(shù)據(jù)，所以研究人員可以看到金屬如何凝固，這有助于確定零件的強度。但他們已經(jīng)從所有這些辛勤工作中受益，并收集了他們仍在努力分析的有用數(shù)據(jù)。

LLNL物理學家和激光材料科學小組組長Ibo Matthews在開發(fā)實驗以了解LPBF背后的物理學方面擁有多年經(jīng)驗，他說：“我們正在獲得有關熔池結構的信息，以及構建過程中可能出現(xiàn)的問題。激光加熱熔池產(chǎn)生的蒸汽羽可以產(chǎn)生口袋和毛孔。這些孔隙缺陷可以用作應力集中器，并會損害零件的機械性能?！?/span>

由于團隊能夠真正看到熔池中形成的層，并將X射線圖像與模擬進行對比，Matthews表示他們能夠確認激光器如何通過氣體羽流、路徑和熱量產(chǎn)生缺陷的預測建立。如果他們在持續(xù)的實驗中將這些新信息與建模結合起來，那么金屬3D打印零件的改進和信心可能會增加。

“成功將以更多的方式學習物理學，讓我們修改過程以避免缺陷。到目前為止，我們正在取得有希望的成果，”Calta解釋說?！拔覀兿Ｍ^續(xù)優(yōu)化儀器并將其應用于不同的材料系統(tǒng)。我們已經(jīng)有了基于光學數(shù)據(jù)的大量知識，這讓我們分支并補充了這些知識?！?/span>

Calta表示，該團隊已經(jīng)開始繪制出孔隙形成并引出冷卻速率信息。希望此設備能夠更好地了解LPBF 3D打印過程，并引發(fā)業(yè)界對金屬3D打印的興趣。

“通過在箱子外面看，你無法分辨箱子里面有什么。該項目的目的是通過開發(fā)先進的現(xiàn)場工具，加速AM制造業(yè)中金屬部件的增材制造（AM），以實現(xiàn)AM部件的快速工藝開發(fā)。”Van Buuren說?！皩τ谛虏牧希覀冞€不了解這些屬性，我們需要能夠實時查看過程。這與我們在實驗室通常做的有點不同。我們希望建立一個行業(yè)能夠進入和使用的能力?！?/span>

該團隊希望添加經(jīng)常用于商業(yè)機器的光學診斷，以幫助與X射線成像相關聯(lián)。

來源：中國3D打印網(wǎng)