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毛孔的SLM金屬3D打印,Nature子刊揭示熱毛細(xì)力驅(qū)動的孔隙消除機(jī)

 SLM選區(qū)激光粉末床熔化(或稱LPBF)是一種3D打印技術(shù),可以打印具有復(fù)雜幾何形狀的金屬零件,而不受傳統(tǒng)制造技術(shù)的設(shè)計限制。然而,通過LPBF 3D打印的部件通常比常規(guī)方法制造的零部件含有更多的孔隙,這幾乎是SLM技術(shù)頗為人詬病的主要原因。

      近日,阿貢國家實驗室科學(xué)家們的論文,激光相互作用區(qū)域中由高溫梯度引起的高熱毛細(xì)管力可以克服熔體流動引起的阻力,從而在LPBF過程中快速消除熔池中的孔隙。通過調(diào)整3D打印方法,來實現(xiàn)熱毛細(xì)力驅(qū)動的孔隙消除機(jī)制,獲得無孔隙的3D打印金屬零件。

SLM金屬3D打印

可以控制的毛孔

        Nature Communications 2019年7月12日發(fā)表了阿貢國家實驗室的解決方案,通過結(jié)合原位高速高分辨率同步加速器X射線成像實驗和多物理場建模,科學(xué)家們揭示了LPBF過程中孔隙運(yùn)動、動力學(xué)機(jī)制。科學(xué)家發(fā)現(xiàn),由激光相互作用區(qū)域中的高溫梯度引起的高熱毛細(xì)管可以在LPBF過程中快速消除熔池中的孔隙。

       在LPBF過程中揭示熔池中孔隙演化和消除的動力學(xué)機(jī)制可以獲得具有非常低或零孔隙率的3D打印零部件。然而,由于孔的小尺寸和高速度以及金屬的不透明性質(zhì),在原位和實時探測這些微孔的運(yùn)動是非常具有挑戰(zhàn)性的。之前,科學(xué)家們嘗試使用X射線成像來可視化孔隙運(yùn)動,取得了一定程度的成功。但是,實驗室的同步加速器設(shè)施所提供的分辨率不足以捕獲這些微孔較快的運(yùn)動。

      阿貢國家實驗室的科學(xué)家通過使用高分辨率(100 ps時間分辨率和~2μm空間分辨率)的同步輻射高速硬X射線成像技術(shù),揭示了LPBF過程中熔池中微孔高度動態(tài)的復(fù)雜運(yùn)動。通過互補(bǔ)的多物理場建模,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)孔隙運(yùn)動行為受溫度梯度引起的熱毛細(xì)力和熔體流動引起的。(熱毛細(xì)力主要是由于流體中存在溫度梯度,導(dǎo)致不同區(qū)域的表面張力不同,從而產(chǎn)生的力。)

LPBF孔隙動力學(xué)的原位表征

LPBF加工過程中孔隙動力學(xué)的原位表征-原位高速X射線成像實驗的示意圖

b代表立方體(300μm×200μm×200μm),由X射線計算機(jī)斷層掃描數(shù)據(jù)重建,顯示增材制造的AlSi10Mg內(nèi)孔隙的大小和分布。

c單脈沖X射線圖像揭示了微孔以及粉末床表面下方的熔池和凹陷區(qū)(激光功率為360 W,掃描速度為1 m s -1,激光束直徑(D 4)σ)100微米。熔池和凹陷區(qū)的邊界用白色虛線表示,激光的位置用紅色箭頭表示。

c中的比例尺為50μm

熔池內(nèi)孔隙運(yùn)動的動力學(xué)

熔池內(nèi)的動態(tài)孔隙運(yùn)動

a – d X射線圖像顯示LPBF加工過程中的孔隙動態(tài)。(粉末層的厚度為100μm)

e – h X射線圖像顯示裸基板激光熔化過程中的孔隙動力學(xué)。虛線箭頭表示毛孔的未來軌跡,而實線箭頭表示毛孔軌跡的歷史。

毛孔在循環(huán)域(a,e)處遵循圓形圖案

而激光相互作用域中的孔移向凹陷區(qū)并從熔池中逸出(d,h)

在過渡域(b,c,f和g),孔表現(xiàn)出不規(guī)則的移動行為,有時向熔池表面移動并逃逸(c,g),有時在熔池(b,f)中循環(huán)。(激光束直徑(d 4 σ)為100μm,激光功率為360 W,以及掃描速度為1 m s -1。所有比例尺均為50μm)


      SLM選區(qū)激光粉末床熔化(或稱LPBF)是一種3D打印技術(shù),可以打印具有復(fù)雜幾何形狀的金屬零件,而不受傳統(tǒng)制造技術(shù)的設(shè)計限制。然而,通過LPBF 3D打印的部件通常比常規(guī)方法制造的零部件含有更多的孔隙,這幾乎是SLM技術(shù)頗為人詬病的主要原因。


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