赫瑞瓦特大学：可减少金属3D打印在制造过程中产生的缺陷

颗粒在线讯：增材制造是3D打印的技术名称，包含多种材料加工技术，其中最广泛采用的是激光粉末床融合(LPBF)。它的工作原理是散布薄薄的金属粉末颗粒层，这些金属粉末颗粒通过高功率激光传递的强热粘合在一起。但是这个过程会导致形成微小的孔隙，从而削弱整体结构。

△图中显示了3D打印过程可能形成的缺陷。金属物质从辐照表面的蒸发导致形成凹陷（下）和羽流（上），它们最初是稳定的，随着能量在材料中积累而变得不稳定

2022年5月30日，在3D打印中形成的空隙，对于整体结构来说是一种致命的缺陷，特别是在制造批量高可靠性组件时。在过去三年中，来自爱丁堡赫瑞瓦特大学光子学和量子科学研究所的工程师们，通过研究LPBF工艺背后的基础物理学，未来可实现减轻3D打印过程中产生的缺陷。

赫瑞瓦特光子学和量子科学研究所的研究员，Ioannis Bitharas博士解释说： “我们的研究可视化了激光与金属粒子相互作用时，观察所有物质状态之间的相互作用。

△蒸汽演变分析：a测量的表面凹陷深度。在第一阶段，锁孔深度逐渐增加，快速钻孔标志着向第二阶段的过渡。由于锁孔的不稳定性，随着时间的推移，穿透力的波动越来越大。b对于这两个数据集，随着系统趋于不稳定，每一帧的总变化随着时间的推移而增加。由于液-气现象的强耦合，在两个数据集中都可以看出锁孔演化的I-III阶段。

“在3D打印过程中，对金属应用高功率激光，会在颗粒融合在一起时产生少量液态金属。在这个阶段，少量金属蒸发并压在液体上，在熔池中心形成一个空腔。这个空腔，通常被称为锁孔，可能会变得不稳定和塌陷，从而导致材料中出现孔隙。同时，蒸汽从锁孔向上喷射，形成羽流，与颗粒相互作用并可能扰乱扩散层。

“这种情况下，会造成散布在整个组件中的微小缺陷，从而导致许多制造商无法接受这种孔隙率水平。”他接着解释说“我们捕获的图像，首次提供了此类交互的完整画面，我们现在可以确定地知道发生了什么。”

△不同输入能量密度下有粉末和无粉末的线扫描图像比较

通过同时使用X射线和纹影成像，该团队分析了打印过程中存在的气体、蒸汽、液相和固相之间的相互作用。他们发现通过金属蒸发释放的蒸汽羽流的行为与熔融材料的整体稳定性之间存在直接联系。羽流越动态，材料越不稳定和多孔。但通过微调激光参数，例如调整其功率、聚焦光斑大小和扫描速度，研究小组发现他们可以控制羽流和熔池的稳定性，使打印结构更加一致。

使用羽流作为可以可视化和监控的“过程特征”，对于依赖高性能组件的各种行业（如航空航天、汽车、医疗保健和国防）具有很大的市场潜力。

该小组Andrew Moore教授说：“尽管3D打印技术前景广阔，但打印部件中的缺陷，仍然阻碍了金属3D打印发挥真正在的能力。迄今为止，人们往常研究的方向是根据，液态金属或颗粒的行为检测和预测缺陷，但是，往往忽略了熔池上方产生的蒸汽射流和羽流的影响。

研究文章已发表在科学期刊Nature Communications上，题为“激光粉末床融合中气相、液相和固相之间的相互作用”

https://www.nature.com/articles/s41467-022-30667-z

“通过我们的新发现，未来我们可以大大减少这些缺陷，并生产出故障可能性更低的组件。我们相信，这项工作将能够创建出一种，可以改进监控和分析过程的工具，以识别和预防金属3D打印制造中的缺陷。此外，它将支持更具有预测性的多物理模型，包括大气影响和粉末运动，允许对过程分析，并进行准确的先验算法。”

该研究得到了英国唯一的LPBF系统制造商renishaw（雷尼绍）与赫瑞瓦特大学的战略联盟支持。后续该团队将继续深入研究，利用新发现来改进3D打印工艺。