工程师仅受其想象力和他们可以生产的部件的质量的限制

随着增材制造的发展 - 通常被称为3D打印 - 工程师仅受其想象力和他们可以生产的部件的质量的限制。通过用激光加热塑料或金属粉末，科学家已经逐层建造了汽车，人行桥甚至人造颚骨。随着工程师使用钛和其他金属合金更有效地开采原材料，这项技术有可能改变制造业，从而降低产品成本和重量，缩短供应链。

然而，金属添加剂制造面临障碍。印刷材料通常包含结构缺陷，并且与设计不同，迫使工程师修复成品或从头开始。并非所有过程背后的物理都被很好地理解。该领域的大部分研究涉及试验和错误 - 这是一种昂贵且耗时的创新方式。

为解决这些问题，美国能源部(DOE)阿贡国家实验室，卡内基梅隆大学和密苏里科技大学的科学家正在研究整个三维印刷工艺，包括金属粉末的材料特性以及如何激光“熔化”并将这些粉末塑造成所需的组分，以发现缺陷的形成方式和避免它们的方法。

科学家们最近实时研究了三维打印形成的内部材料，因为激光将金属粉末模塑成形状。当激光“打印”金属部件时，Argonne物理学家Tao Sun和他的合作者通过位于Argonne的DOE科学用户设施Advanced Photon Source的强烈同步加速器X射线在其内部工作中占据了前排座位。

“激光与金属的相互作用非常迅速，”孙说。“幸运的是，我们使用高级光子源中的高速X射线仪器以每秒50,000帧的速度拍摄了这个过程。我们可以逐帧研究所得到的电影，以检查材料的微观结构，特别是缺陷和毛孔的形成。 “

该团队表明，他们可以观察和量化许多金属3-D印刷特性 - 包括熔池尺寸/形状，粉末喷射，凝固，孔隙形成和相变。

Sun将与学术界和其他国家实验室的合作伙伴分享他的结论，他们正在建立可靠地预测印刷材料特性的模型。这些模型还预测了该过程的动态 - 例如激光如何熔化粉末，何时粉末变成气体和液体等等。

与此同时，Argonne的主要材料科学家和Argonne增材制造项目的联合负责人Aaron Greco从不同角度对模型进行了改进。“印刷后，我们会检查产品的微观结构和缺陷，”Greco说。“我们使用各种技术，包括光学和电子显微镜，甚至高级光子源的层析成像，来验证模型。”

结果是一个良性循环，其中实验数据被输入到增材制造模型中，然后通过更精细和有见地的实验来测试改进的模型。建模者和实验者之间的这种相互作用对于清楚准确地理解使3D打印真正可靠所需的基础材料物理学至关重要。

尽管这种循环对于他们对增材制造的基本理解至关重要，但研究人员的雄心壮志进一步扩展。

“我们的目标是探索新的可能性，”格雷科说。“行业目前仅限于某些金属合金。但新产品如何?如果您了解与如何印刷新合金相关的物理特性，您可以将这些合金用于此过程并加快印刷的可靠性。”

行业也受限于目前定义复杂零件印刷工艺所需的非常详细的模型。通过将这些模型简化为影响质量和可靠性的少数元素，团队希望使模型更快，更适合工业。

最终，Argonne的努力将实现两全其美：科学家将揭开金属添加剂制造的动态奥秘，而行业将通过蓝图茁壮成长，以快速打印出具有成本效益和可靠的产品。

“我们的工作不仅有助于工业提高效率和性能，还可以提高金属 添加剂制造在其他应用中更广泛采用的可能性，”Greco说。

Sun的研究报告发表在科学报告文章“使用高速X射线成像和衍射实时监测激光粉末床融合过程”。实验在Advanced Photon Source的32-ID-B光束线上进行。