三维打印缺陷产生的原因及改善效果的途径

添加剂制造业革命化的前景受到一个普遍的问题的制约：最终产品中的微小气穴会导致裂纹和其他故障。

这张照片是在阿贡国家实验室的同步加速器下拍摄的，显示了金属三维打印过程中形成的小孔。在激光粉末床熔合过程中，一台3-D打印机在金属上“钻”一个孔。

今天发表在《科学》杂志上的一项新研究，由卡内基梅隆大学和阿贡国家实验室的研究人员领导，已经确定了这些气穴的形成方式和时间，以及预测它们形成的方法，这是一项关键性的发现，可以显著改善3D打印过程。

“本文的研究将转化为更好的质量控制和更好的机器操作控制，”卡内基梅隆大学材料科学与工程教授、论文作者安东尼·罗莱特说。为了让添加剂制造真正为大多数公司腾飞，我们需要提高成品的一致性。这项研究是朝着这个方向迈出的重要一步。”

科学家们在美国能源部科学用户机构的高级光子源（APS）利用极其明亮的高能X射线，拍摄了一种称为激光动力床融合（LPBF）的过程的超快速视频和图像，在这个过程中，激光被用来熔化和融合材料粉末。

激光扫描每一层粉末，在需要的地方将金属熔合起来，从地面上创造出成品。当气穴被困在这些层中时，就会形成缺陷，从而导致最终产品出现裂缝或其他故障。

直到现在，制造商和研究人员还不太清楚激光是如何钻入金属的，产生了被称为“蒸汽凹陷”的空腔，但他们认为应该归咎于金属粉末的类型或激光的强度。因此，制造商们一直在用一种试验和错误的方法来处理不同类型的金属和激光，以减少缺陷。

事实上，研究表明，无论是激光还是金属，在这一过程中，几乎所有的条件下都存在这些蒸汽压。更重要的是，这项研究显示了如何预测一个小的抑郁症何时会发展成一个大的，不稳定的，可能会造成缺陷的抑郁症。

罗列说：“我们正在拉回面纱，揭示真实情况。”大多数人认为你用激光照射金属粉末的表面，光被材料吸收，然后把金属熔化成熔池。实际上，你在金属上钻了一个洞。”

通过使用世界上最强大的同步加速器设施之一阿贡APS的高度专业化设备，研究人员观察了激光穿过金属粉末床产生每层产品时所发生的情况。

在完美的条件下，熔池的形状是浅的、半圆形的，称为“传导模式”。但在实际印刷过程中，大功率激光通常以低速运动，可以将熔池的形状改变为类似于锁上的锁孔：顶部大而圆，底部有一个窄的尖峰。这种“锁孔模式”熔化可能导致最终产品出现缺陷。

“基于这项研究，我们现在知道，在许多方面，钥匙孔现象比用于添加剂制造的粉末更重要，”Ross Cunningham说，他是卡内基梅隆大学的一名毕业生，也是本文的第一作者之一。我们的研究表明，您可以预测导致钥匙孔的因素，这意味着您也可以隔离这些因素以获得更好的结果。”

研究表明，当达到一定的激光功率密度，足以使金属沸腾时，就会形成小孔。研究团队称，这反过来揭示了激光聚焦在添加剂制造过程中的关键重要性，而添加剂制造过程是迄今为止很少受到关注的元素。

阿贡物理学家、论文作者陶孙说：“由于阿贡大学的规模和专业能力，人们首次能够用这样的细节来观察锁孔现象。”APS的高能X射线束是此类发现的关键。”

支持添加剂制造研究的实验平台包括激光器、专用探测器和专用光束线仪器。