工程師僅受其想象力和他們可以生產(chǎn)的部件的質(zhì)量的限制

隨著增材制造的發(fā)展 - 通常被稱為3D打印 - 工程師僅受其想象力和他們可以生產(chǎn)的部件的質(zhì)量的限制。通過用激光加熱塑料或金屬粉末，科學(xué)家已經(jīng)逐層建造了汽車，人行橋甚至人造顎骨。隨著工程師使用鈦和其他金屬合金更有效地開采原材料，這項(xiàng)技術(shù)有可能改變制造業(yè)，從而降低產(chǎn)品成本和重量，縮短供應(yīng)鏈。

然而，金屬添加劑制造面臨障礙。印刷材料通常包含結(jié)構(gòu)缺陷，并且與設(shè)計(jì)不同，迫使工程師修復(fù)成品或從頭開始。并非所有過程背后的物理都被很好地理解。該領(lǐng)域的大部分研究涉及試驗(yàn)和錯(cuò)誤 - 這是一種昂貴且耗時(shí)的創(chuàng)新方式。

為解決這些問題，美國能源部(DOE)阿貢國家實(shí)驗(yàn)室，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)和密蘇里科技大學(xué)的科學(xué)家正在研究整個(gè)三維印刷工藝，包括金屬粉末的材料特性以及如何激光“熔化”并將這些粉末塑造成所需的組分，以發(fā)現(xiàn)缺陷的形成方式和避免它們的方法。

科學(xué)家們最近實(shí)時(shí)研究了三維打印形成的內(nèi)部材料，因?yàn)榧す鈱⒔饘俜勰┠Ｋ艹尚螤?。?dāng)激光“打印”金屬部件時(shí)，Argonne物理學(xué)家Tao Sun和他的合作者通過位于Argonne的DOE科學(xué)用戶設(shè)施Advanced Photon Source的強(qiáng)烈同步加速器X射線在其內(nèi)部工作中占據(jù)了前排座位。

“激光與金屬的相互作用非常迅速，”孫說。“幸運(yùn)的是，我們使用高級(jí)光子源中的高速X射線儀器以每秒50,000幀的速度拍攝了這個(gè)過程。我們可以逐幀研究所得到的電影，以檢查材料的微觀結(jié)構(gòu)，特別是缺陷和毛孔的形成。 “

該團(tuán)隊(duì)表明，他們可以觀察和量化許多金屬3-D印刷特性 - 包括熔池尺寸/形狀，粉末噴射，凝固，孔隙形成和相變。

Sun將與學(xué)術(shù)界和其他國家實(shí)驗(yàn)室的合作伙伴分享他的結(jié)論，他們正在建立可靠地預(yù)測(cè)印刷材料特性的模型。這些模型還預(yù)測(cè)了該過程的動(dòng)態(tài) - 例如激光如何熔化粉末，何時(shí)粉末變成氣體和液體等等。

與此同時(shí)，Argonne的主要材料科學(xué)家和Argonne增材制造項(xiàng)目的聯(lián)合負(fù)責(zé)人Aaron Greco從不同角度對(duì)模型進(jìn)行了改進(jìn)。“印刷后，我們會(huì)檢查產(chǎn)品的微觀結(jié)構(gòu)和缺陷，”Greco說。“我們使用各種技術(shù)，包括光學(xué)和電子顯微鏡，甚至高級(jí)光子源的層析成像，來驗(yàn)證模型。”

結(jié)果是一個(gè)良性循環(huán)，其中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)被輸入到增材制造模型中，然后通過更精細(xì)和有見地的實(shí)驗(yàn)來測(cè)試改進(jìn)的模型。建模者和實(shí)驗(yàn)者之間的這種相互作用對(duì)于清楚準(zhǔn)確地理解使3D打印真正可靠所需的基礎(chǔ)材料物理學(xué)至關(guān)重要。

盡管這種循環(huán)對(duì)于他們對(duì)增材制造的基本理解至關(guān)重要，但研究人員的雄心壯志進(jìn)一步擴(kuò)展。

“我們的目標(biāo)是探索新的可能性，”格雷科說。“行業(yè)目前僅限于某些金屬合金。但新產(chǎn)品如何?如果您了解與如何印刷新合金相關(guān)的物理特性，您可以將這些合金用于此過程并加快印刷的可靠性。”

行業(yè)也受限于目前定義復(fù)雜零件印刷工藝所需的非常詳細(xì)的模型。通過將這些模型簡(jiǎn)化為影響質(zhì)量和可靠性的少數(shù)元素，團(tuán)隊(duì)希望使模型更快，更適合工業(yè)。

最終，Argonne的努力將實(shí)現(xiàn)兩全其美：科學(xué)家將揭開金屬添加劑制造的動(dòng)態(tài)奧秘，而行業(yè)將通過藍(lán)圖茁壯成長(zhǎng)，以快速打印出具有成本效益和可靠的產(chǎn)品。

“我們的工作不僅有助于工業(yè)提高效率和性能，還可以提高金屬 添加劑制造在其他應(yīng)用中更廣泛采用的可能性，”Greco說。

Sun的研究報(bào)告發(fā)表在科學(xué)報(bào)告文章“使用高速X射線成像和衍射實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)激光粉末床融合過程”。實(shí)驗(yàn)在Advanced Photon Source的32-ID-B光束線上進(jìn)行。