毛孔的SLM金屬3D打印，Nature子刊揭示熱毛細力驅(qū)動的孔隙消除機
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)熱毛細力驅(qū)動的孔隙消除機制，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過程中孔隙運動、動力學(xué)機制�？茖W(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)雜運動。通過互補的多物理場建模，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)孔隙運動行為受溫度梯度引起的熱毛細力和熔體流動引起的。（熱毛細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)孔隙運動的動力學(xué)
熔池內(nèi)的動態(tài)孔隙運動
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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