LLNL研發(fā)檢測金屬3D打印缺陷新技術，時間僅需幾分鐘

2022年4月29日，南極熊獲悉，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(LLNL)的研究人員，開發(fā)了一種基于激光超聲波(SAW)的檢測新方法，它可以實時監(jiān)測激光粉末床熔合(LPBF)金屬3D打印中的微小表面和亞表面缺陷。

△金屬3D打印示例圖。圖片來自Goolge

該團隊宣稱說，他們開發(fā)的系統(tǒng)可以快速檢測激光熔池、空隙和表面特征，可達到有效和準確地評估激光熔線（激光在LPBF打印中液化金屬粉末的軌跡）；使用光學顯微鏡和X射線斷層掃描(CT)驗證了這些發(fā)現(xiàn)。

研發(fā)目的
LLNL工程師兼首席研究員David Stobbe說：“我們希望這項研究能夠證明全光學超聲系統(tǒng)能夠快速、準確的對LPBF和粉末工藝進行原位表征分析�！� “基于激光的超聲、表面聲波系統(tǒng)對表面和近表面特征表現(xiàn)出極好的敏感性，包括LPBF熔線斷裂、金屬表面飛濺和內部氣孔都可以檢測�！�

聲波歷來被用于工程材料中的裂縫、凹坑和焊縫等表面和近表面特征分析，并在地質學中用于檢測洞穴等地下特征。據(jù)研究人員稱，由于SAW具有表面和近表面的敏感特性，非常適合分析LPBF打印中的激光熔池。

△實驗測量結果與模擬結果和熔體線幾何形狀的光學測量結果非常吻合。獲取論文更多信息：Kathryn Jinae Harke等人，《先進制造材料中表面和亞表面特征基于激光的超聲分析》，科學報告(2022)。 DOI：10.1038/s41598-022-07261-w（點我傳送門）

上圖測試結果注釋：( a )熔融池的光學圖像。由于光束邊緣中斷，在y = 13 mm附近觀察到熔線斷裂。( b )模擬熔體線斷裂附近的位移。觀察到來自熔化線末端和起點的拋物線散射以及來自熔化線的平面反射間隙。( c )沿樣品的y軸掃描時實驗測量的法向位移。在y = 13 mm附近，熔化線的平面反射中斷很明顯。( d ) ( c )中圖像的放大部分，顯示熔線末端的拋物線散射、熔線起點的微弱拋物線散射和熔線中的間隙。

進行實驗
為了測試這種技術潛力，LLNL團隊通過使用指向真空室的光纖激光器生產(chǎn)激光熔化線進行了實驗，并生產(chǎn)了鈦合金樣品，分別使用100瓦、150瓦和350瓦功率的激光器進行分析。同時，他們開發(fā)了一種產(chǎn)生和檢測表面聲波的方法，使用脈沖激光產(chǎn)生超聲波，并用光折變激光干涉儀測量位移。

隨后，該團隊還進行了模擬實驗，以驗證實驗的準確性。他們模擬并測量了脈沖激光的位移，并顯示了熔體線的散射，以及熔體線的斷裂、熔體線附近的金屬飛濺物和熔體線下方的氣孔。該團隊通過實驗測量了相同的特征，并驗證模擬和實驗具有一致性。

△由其他平臺檢測的3D打印金屬零件。照片來自Sigma實驗室

全光學超聲(LBU)具有時間成本優(yōu)勢
基于激光的超聲(LBU)實驗結果，通過光學顯微鏡對表面特征和X射線PC斷層掃描，對亞表面特征進行了驗證。研究人員報告說，與X射線CT相比，LBU系統(tǒng)“能夠更好地執(zhí)行實時檢查，并且可以更快地獲取和處理數(shù)據(jù)”。

LLNL工程師和主要作者Kathryn Harke說：“與傳統(tǒng)的X射線CT相比，使用基于激光的超聲顯著縮短了表層下空隙檢測的時間，從幾天縮短到幾分鐘�！� “雖然該技術距離真正的實際應用還有很多的工作要做，但這個發(fā)現(xiàn)讓我們非常興奮。”

實驗室研究人員表示，雖然該方法非常適用于LPBF打印，但目前可檢測空隙的大小和深度還存在限制，未來還需要進一步開發(fā)。