最新《Science》：填補3D打印領域空白，消除了過大的回濺和穩(wěn)定熔池動態(tài)

來源：材料科學與工程

導讀：減少濺射是激光粉末床熔合增材制造中的一個優(yōu)先考慮的事項。本文作者使用了一個高保真多物理模型，并通過原位X射線和其他實驗對其進行了驗證，發(fā)現了一種新型濺射誘導缺陷的形成機制，消除了過大的回濺和穩(wěn)定熔池動態(tài)。這種結合高保真多物理仿真技術與現場診斷技術的方法，將是促進制造業(yè)發(fā)展并推動工業(yè)4.0革命的不可或缺手段。

如今，最先進的金屬3D打印機有望徹底改變制造業(yè)，但它們還沒有達到最佳的運行可靠性，原因在于復雜的激光-粉末-熔池之間相互依賴的動力學關系。近日，來自美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的SaadA. Khairallah等人利用高保真模擬，同時結合同步加速器實驗，在中納秒尺度上捕捉快速的多瞬態(tài)動力學，并發(fā)現取決于掃描策略和激光跟蹤與驅逐之間的競爭的新型濺射誘導缺陷的形成機制。相關論文以題為“Controlling interdependent meso-nanosecond dynamics and defect generation in metal 3D printing”5月8日發(fā)表在Science上。同時Science還配有一篇評述文章，題目為“Closing the science gap in 3D metal printing”。

論文鏈接https://science.sciencemag.org/content/368/6491/660

激光粉末床熔合增材制造（L-PB FAM）技術利用激光束掃描微觀（~15至100 μm）金屬粉末平板上的二維圖案，形成熔池軌道與下層熔合，重復分層過程數千次就會構建一個3D對象。因此，很有必要了解和控制激光工藝參數與復雜粉末和熔池動力學之間的相互依賴性，這有助于解決可變性問題，即打印零件不能重復達到合格和認證步驟所需的標準。這種可變性是由于在每一層掃描過程中，在粉末層和熔池中隨機產生的各種缺陷（如氣孔）的累積造成的。粉末層的研究揭示了由蒸汽驅動的粉末動力學，以每秒數百米的速度逃離熔池凹陷。這種高蒸氣通量產生了復雜的氣體流動，將松散的粉末顆粒包裹在激光軌道兩側。這一過程有時導致大的缺乏粉末的剝蝕區(qū)，并導致85%的粒子濺射觀察到火花到肉眼。因此，減少濺射是激光粉末床熔合增材制造中的一個優(yōu)先考慮的事項。目前，生產沒有這些缺陷的零件仍然具有挑戰(zhàn)性，探測熔池是通過超高速X射線技術完成的，但這些技術仍然缺乏足夠的空間和時間分辨率來充分捕捉熔池形態(tài)和微孔的超快動力學。

在本文中，作者使用了一個高保真多物理模型，并通過原位X射線和其他實驗對其進行了驗證。同時因為使用了全激光跟蹤，使得模型提供了2μm尺度的3D溫度、速度和其他數據，并且具有預測性。流體力學與納秒尺度上的熱擴散耦合，以準確捕捉高度動態(tài)和非線性的激光-粉末和激光-熔池相互作用。然后，作者將可變性問題與瞬態(tài)物理狀態(tài)聯系起來，這樣的建模結果提供了一個減少濺射，減少空洞和提高L-PBF部件可靠性的策略。

圖1.復激光粉末吸收率

圖2.激光噴射、自我復制和陰影機制造成的飛濺缺陷

圖3.控制軌道飛濺、孔隙和軌道凍結凹陷結束的穩(wěn)定性判據

圖4.在轉換掃描策略中控制瞬態(tài)鎖孔缺陷

總的來說，這項工作減少了可變性問題控制的由復雜激光-粉末-熔池相互依賴動力學產生的隨機事件。作者通過穩(wěn)定判據設定了功率的上限，同時消除了過大的回濺和穩(wěn)定熔池動態(tài)。高保真多物理仿真技術與現場診斷技術相結合，將是引入穩(wěn)定標準以促進制造業(yè)發(fā)展并推動工業(yè)4.0革命的不可或缺的手段。