Array,Array|原创 美国阿尔贡国家实验室提出控制3D打印缺陷的新方法
北京联盟_原题是：美国阿尔贡国家实验室提出控制3D打印缺陷的新方法
江苏激光联盟导读：
《增材制造》杂志上的一篇研究提出了一个可能的突破性解决方案:利用生产时的温度数据来预测表面下缺陷的形成 ， 这样就可以随时解决这些问题 。美国能源部阿尔贡国家实验室的一组研究人员和德克萨斯A&M大学的一名同事发现了这种可能性 。
未来几十年如果继续保持技术创新的态势 ， 尤其是在运输和能源领域 ， 必将伴随着制造科学的进步 。由于增材制造能生产具有复杂几何形状和卓越性能的部件 ， 而这些部件的材料和能源浪费最少 ， 因此增材制造已经在这一转变中发挥了关键作用 。激光粉末床熔合（L-PBF）是一种广泛使用的增材工艺 ， 因为它能够生产出具有几何公差的致密金属部件 。在L-PBF中 ， 激光扫描金属粉末床 ， 并在路径中将粉末熔化以形成一层一层的固体成分 。尽管L-PBF制造的部件具有商业用途 ， 但它们在高性能角色（例如涡轮风扇组件）中的使用受到空隙、裂纹、表面粗糙度和其他缺陷的普遍出现的限制 。近年来 ， 大量的研究努力旨在减少增材制造部件中缺陷的形成 。
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与现有方法相反 ， 这里研究人员研究了称为锁孔孔隙度的地下孔隙的形成与整个L-PBF过程中材料点的热历史之间的联系 。当熔池中的能量密度过剩时 ， 通常是由于高激光功率和低扫描速度导致的 ， 产生的熔池变得更深 ， 并且存在一个汽化材料的凹陷区 ， 工艺进入键孔模式 。锁孔的孔隙度是由锁孔或凹陷区的不稳定性引起的 。研究人员认为 ， 热历史的特征（例如最大辐射率和随时间变化的冷却速率）与熔池的动力学相关 。为了研究这些现象 ， 研究采用了定制设备 ， 其中可编程的激光在粉床上进行扫描 。使用固定红外（IR）相机测量表面的热特征（以黑体辐射的形式） ， 同时通过基于同步加速器的高速X射线成像观察熔池动力学和孔隙形成 。在获得用于处理条件分布的热历史和相关孔隙率水平的数据集后 ， 采用遗传算法（GA）选择关键特征 ， 以校准各种机器学习（ML）技术 。结果是一个预测模型 ， 该模型给出了IR测得的以前未表征的加工条件的热历史 ， 从而形成了形成孔隙的可能性 。虽然仅靠热历史不可能足以预测孔隙率 ， 但它有望成为一种与机器设置和复杂零件的加工路径无关的工具 。这是一个重要的标准 ， 因为仅依靠激光参数（例如功率、扫描速度和光斑大小）和简单的构建参数的模型将无法解决实际零件中热量积累的复杂分布 。这项工作为实时控制L-PBF提供了一种工具 ， 其目的是生产出缺陷水平较低的部件 。
在阿尔贡国家实验室(ANL)的高级光子源(APS)的32-ID-B束线上进行了利用同时高速x光和红外成像的L-PBF实验 。图1显示了激光粉末床熔化过程的实验装置及其与x射线和红外成像的集成示意图 。用一个18毫米周期的波荡器产生一次谐波能量为25千电子伏的多色X射线束 。当激光束穿过样品时 ， 允许X射线束穿过样品 。使用单晶LuAG:Ce闪烁体(厚度100微米)将透射的x射线转换成可见光光子 。转换后的可见光图像随后用商业高速相机(Photron FastCam SA-Z ， Photron公司 ， 日本东京)进行记录 。使用一对安全快门和x射线狭缝来定义x射线束撞击样品的持续时间和大小 。在本研究中 ， 高速摄像机使用了30 ， 000赫兹的帧速率和1.97微米的像素大小 。
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图1.示意图 ， 显示了用于现场记录LPBF工艺的实验装置 。图片来源：清华大学
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