【重磅】金属3D打印基础研究获重大突破！

日前，来自美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）的一个研究团队宣布，他们正在研究一项困扰着常见金属3D打印技术的重大问题。据悉，他们的发现将发表在8月份的《Acta Materialia》，并有可能加快3D打印技术的应用。

Ibo Mathews是LLNL的一位首席研究员和这项研究项目的合著者。Mathews是在麻省理工学院（MIT）完成的实验性凝聚态物理博士学位，在随后的十年里他大部分时间都在著名的贝尔实验室里度过的。他拥有数项专利，其中包括激光诱导气体等离子加工等。他最近研究重点集中在一项使用很广泛的3D打印技术上，这项技术就是粉床融熔（PBF，powder bed fusion）。

据了解，基于PBF的3D打印技术在市场上有几种形式，比如EOS的直接金属激光烧结（DMLS）、Arcam的电子束熔融（EBM）、SLM Solutions的多光束选择性激光熔融（SLM）等。像Stratasys在其德州Austin的合同制造工厂里就有很多台DMLS机器。

Ibo Mathews（左）在调整一个4KW的激光器

重要的新见解

当这个增材制造研究项目开始的时候，Mathews就雄心勃勃地期望获得开创性的成果。他说这项研究“力求在基于金属的增材制造领域进行前所未有的更多、更详细的实验研究。”而该研究团队即将发表的文章也代表了他们在预测和最小化金属增材制造零部件无效缺陷和表面粗糙度方面的最新见解。

众所周知，在增材制造金属零部的过程中的快速加热和使用激光生成的高温能够提高零部件的强度，但是同样的工艺也可能导致空隙或毛孔，从而削弱该零部件。这些缺陷的主要原因是金属粉末的不完全融化，或者强烈的汽化所导致的“锁眼型”熔化。

激光功率、光束尺寸、扫描速度和开口间距（hatch spacing）——这些统称为扫描策略，是用于确定最终的孔隙度和孔隙的存在的所有变量。

与该研究相关的另外一个研究项目——LLNL的金属增材制造加速认证项目——负责人Wayne King评论说：“如果我们想要将零部件投入关键应用，那么它们就必须符合质量标准。我们的项目主要专注于在科学的基础上发展对于增材制造过程的理解，从而建立增材制造零部件质量的可信度。”

King也是这一新论文的共同作者之一，并参与了该项目的算法开发以解决3D打印金属零部件的表面粗糙度、残余应力、孔隙和微裂缝等问题。这个项目是在2015年3月与通用电气（GE）合作开始的。America Makes为此提供了54万美元的资金并且设定了18个月的成果交付时间。

GE公司首席研究员Bill Carter证实，该算法项目正在如期进行，其软件将会在今年9月提供给America Makes成员。

一旦算法完成，他们将会在一种开源授权许可的条件之下将其公布出去。Matthews预期这将导致增材制造行业的更大飞跃。最终完成的软件模型将能够全面评估金属粉末是如何形成一个熔池及其在固化之前的所有行为。King说：“这些模型将使金属增材制造远离经验主义，并朝着更加科学的方向迈出一大步。”

预测模型将推动技术更快地进步

质量检验和认证是一项新材料和工艺得以应用的基础。如果没有准确的预测模型，那么质量检验和认证将变得非常麻烦，增材制造的优势就很难体现出来。

为了了解金属3D打印过程中的问题是如何产生的，LLNL使用了超高速摄像机分别记录了600W光纤激光器熔化Ti64钛合金、316 L不锈钢和纯铝粉末的过程。这些实验是在一个激光束功率和气压可变的构建室里进行的。

Matthews解释说：“从这些单轨道实验中收集到的数据正在帮助指导来自Fraunhofer研究所的机器构建自定义的对象，而且这些实验是在开源代码的基础上进行的。”

GE公司的Bill Carter解释说，Fraunhofer研究所的基于激光的粉床融熔研发平台是必要的，因为“商业性的SLM机器不允许用户访问特定工艺参数信息和工具路径”，这就使研究人员在受控实验条件的变量受到了限制。

据悉，这些超高速摄像机以每秒50万帧的速度展示了激光扫描是如何改变金属粉末的，这一粉末变化的区域被称为剥蚀区（DZ）。这些珍贵的记录详细地描述了DZ是如何产生和变化的。这些数据在以前的学术文献中均无记载。

作者们还发现，“在一个熔融轨迹附近“剥蚀”粉末的主要驱动力是其周围气流所夹带的颗粒”。该报告继续说：“导致气流发生的原因是激光斑内产生的强烈蒸发现象以及与伯努利效应（Bernoulli effect）相关的因蒸汽喷射而导致的气压下降。”

该研究报告还发现，通过将压强从760降到10 Torr，DZ的宽度将增加2倍。而在2.2 Torr的压力下，“DZ的边缘是非常清晰的，而且相对没有粉末”。

“蒸汽导致的夹带”将金属粉末拖到该区域，在这里它们被融化，形成所需的部件，而且还会导致颗粒“逆着激光扫描的方向垂直弹出”。这种相互矛盾的效应会造成粉末颗粒要么越来越接近激光，要么越来越远离激光。

除此之外，当激光熔融这些粉末时，还会出现几个复杂的过程。金属熔池的表面张力和毛细管原理驱动的运动会增加激光光束之上的熔融轨迹宽度。此外，如果熔池的表面超过沸点，蒸汽反冲势头将会发生，这将进一步扩展熔池。

然而，即使熔池的温度冷却下来，其产生的气流超出熔池的部分也会给它带来金属颗粒。而冷却的熔池意味着这些颗粒不会完全熔化。这一现象也是首次在科研文献中被公开，据信这就是金属3D打印部件表面粗糙度和孔隙产生的原因。

科学家们称，这项研究非常重要，因为对于构建空间内不断变化的环境条件的了解可以让系统获得对金属3D打印对象更精确的控制，从而可以实现耐用部件的可重复打印。

《3D打印世界》——中国3D打印行业第一本专业月刊（点击可在线阅读） 

搜索官方微信账号：“3D打印世界”，新鲜、有料、深度3D打印资讯，尽在3D打印世界！