預(yù)測(cè)模型將推動(dòng)技術(shù)更快地進(jìn)步

 

　　質(zhì)量檢驗(yàn)和認(rèn)證是一項(xiàng)新材料和工業(yè)得以應(yīng)用的基礎(chǔ)。如果沒(méi)有準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)模型，那么質(zhì)量檢驗(yàn)和認(rèn)證將變得非常麻煩，增材制造的優(yōu)勢(shì)就很難體現(xiàn)出來(lái)。

 

　　為了了解金屬3D打印過(guò)程中的問(wèn)題是如何產(chǎn)生的，LLNL使用了超高速攝像機(jī)分別記錄了600W光纖激光器熔化Ti64鈦合金、316 L不銹鋼和純鋁粉末的過(guò)程。這些實(shí)驗(yàn)是在一個(gè)激光束功率和氣壓可變的構(gòu)建室里進(jìn)行的。

 

　　Matthews解釋說(shuō)：“從這些單軌道實(shí)驗(yàn)中收集到的數(shù)據(jù)正在幫助指導(dǎo)來(lái)自Fraunhofer研究所的機(jī)器構(gòu)建自定義的對(duì)象，而且這些實(shí)驗(yàn)是在開(kāi)源代碼的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。”

 

　　GE公司的Bill Carter解釋說(shuō)，F(xiàn)raunhofer研究所的基于激光的粉床融榮研發(fā)平臺(tái)是必要的，因?yàn)?ldquo;商業(yè)性的SLM機(jī)器不允許用戶訪問(wèn)特定工藝參數(shù)信息和工具路徑”，這就使研究人員在受控實(shí)驗(yàn)條件的變量受到了限制。

 

　　據(jù)了解，這些超高速攝像機(jī)以每秒50萬(wàn)幀的速度展示了激光掃描是如何改變金屬粉末的，這一粉末變化的區(qū)域被稱為剝蝕區(qū)（DZ）。這些珍貴的記錄詳細(xì)地描述了DZ是如何產(chǎn)生和變化的。這些數(shù)據(jù)在以前的學(xué)術(shù)文獻(xiàn)中均無(wú)記載。

 

　　作者們還發(fā)現(xiàn)，“在一個(gè)熔融軌跡附近“剝蝕”粉末的主要驅(qū)動(dòng)力是其周圍氣流所夾帶的顆粒”。該報(bào)告繼續(xù)說(shuō)：“導(dǎo)致氣流發(fā)生的原因是激光斑內(nèi)產(chǎn)生的強(qiáng)烈蒸發(fā)現(xiàn)象以及與伯努利效應(yīng)（Bernoulli effect）相關(guān)的因蒸汽噴射而導(dǎo)致的氣壓下降。”

 

　　該研究報(bào)告還發(fā)現(xiàn)，通過(guò)將壓強(qiáng)從760降到10 Torr，DZ的寬度將增加2倍。而在2.2 Torr的壓力下，“DZ的邊緣是非常清晰的，而且相對(duì)沒(méi)有粉末”。

 

　　“蒸汽導(dǎo)致的夾帶”將金屬粉末拖到該區(qū)域，在這里它們被融化，形成所需的部件，而且還會(huì)導(dǎo)致顆粒“逆著激光掃描的方向垂直彈出”。這種相互矛盾的效應(yīng)會(huì)造成粉末顆粒要么越來(lái)越接近激光，要么越來(lái)越遠(yuǎn)離激光。

 

　　除此之外，當(dāng)激光熔融這些粉末時(shí)，還會(huì)出現(xiàn)幾個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。金屬熔池的表面張力和毛細(xì)管原理驅(qū)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)會(huì)增加激光光束之上的熔融軌跡寬度。此外，如果表面的熔池超過(guò)沸點(diǎn)，蒸汽反沖勢(shì)頭將會(huì)發(fā)生，這將進(jìn)一步擴(kuò)展熔池。

 

　　然而，即使熔池的溫度冷卻下來(lái)，其產(chǎn)生的氣流超出熔池的部分也會(huì)給它帶來(lái)金屬顆粒。而冷卻的熔池意味著這些顆粒不會(huì)完全熔化。這一現(xiàn)象也是首次在科研文獻(xiàn)中被公開(kāi)，據(jù)信這就是金屬3D打印部件表面粗糙度和孔隙產(chǎn)生的原因。

 

　　科學(xué)家們稱，這項(xiàng)研究非常重要，因?yàn)閷?duì)于構(gòu)建空間內(nèi)不斷變化的環(huán)境條件的了解可以讓系統(tǒng)獲得對(duì)金屬3D打印對(duì)象更精確的控制，從而可以實(shí)現(xiàn)耐用部件的可重復(fù)打印。