金屬晶格的高強(qiáng)度和低密度特性已在許多領(lǐng)域得到應(yīng)用，例如汽車/航天輕量化支架、衛(wèi)星蒙皮點(diǎn)陣、醫(yī)學(xué)植入體、熱交換器以及化學(xué)反應(yīng)器等等。激光粉末床熔融工藝已經(jīng)成為3D打印晶格或點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的專有技術(shù)，然而采用3D打印制造的支柱通常接近工藝本身所能達(dá)到的極限，因此常會(huì)存在支柱缺失的情況；同時(shí)，金屬3D打印本身尚無法有效克服的缺陷問題也會(huì)出現(xiàn)在點(diǎn)陣/晶格結(jié)構(gòu)中。3D打印技術(shù)參考曾介紹過打印缺陷對(duì)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)力學(xué)性能特別是疲勞損傷的影響。

點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)典型應(yīng)用

3D打印制造的支柱通常接近工藝本身所能達(dá)到的極限

為確保質(zhì)量，研究人員通常會(huì)進(jìn)行打印后的檢查，用于晶格非破壞性檢查的手段有X射線斷層掃描、聲發(fā)射檢測和超聲波檢測。然而，由于零件和材料的密度以及晶格幾何形狀的復(fù)雜性，這些檢查方法既耗時(shí)又昂貴，并且在技術(shù)上具有挑戰(zhàn)性。因此，開發(fā)獨(dú)立的過程監(jiān)控技術(shù)對(duì)于確保金屬3D打印晶格零件滿足質(zhì)量要求并獲得使用認(rèn)證至關(guān)重要。

非破壞性新技術(shù)極大提高檢測準(zhǔn)確度

近日，3D打印技術(shù)參考注意到，美國倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）的一個(gè)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種方法，能夠在3D打印階段即可檢測和預(yù)測增材制造金屬晶格結(jié)構(gòu)中的支柱缺陷。該過程結(jié)合了監(jiān)控、成像技術(shù)和多物理場模擬，使用戶能夠在盡可能早的階段確定零件是否滿足質(zhì)量要求。

這是一種使用高速熔池?zé)岜O(jiān)測手段來檢測金屬晶格結(jié)構(gòu)在3D打印過程中支柱缺失的方法。通過使用光電二極管、高溫計(jì)（兩者都測量從熔池發(fā)出的光）和熱成像監(jiān)測金屬微晶格結(jié)構(gòu)打印過程中熔池的熱輻射來高精度的預(yù)測缺陷。

研究人員故意設(shè)計(jì)的帶有支柱缺失的晶格結(jié)構(gòu)

通過測量發(fā)現(xiàn)，當(dāng)晶格支柱在打印過程中出現(xiàn)斷裂后，后續(xù)的打印過程中熔池的表面溫度會(huì)變低，造成光電二極管的信號(hào)較低。額外的熱成像和多物理模擬表明，低光電二極管信號(hào)伴隨著熱飛濺物的存在，熱飛濺物將熱量從檢測中帶走，熔池上的粉末也會(huì)連續(xù)“雪崩”?；谶@些觀察，開發(fā)了一種方法來識(shí)別有缺陷的單個(gè)支柱。LLNL科學(xué)家兼該項(xiàng)目的主要參與者表示，這是第一次在金屬晶格中研究這種質(zhì)量控制過程，并開發(fā)出一種方法來檢測底部缺失的有缺陷支柱，該方法可以以高于94%的置信度進(jìn)行預(yù)測。

熱輻射檢測的物理機(jī)制

值得注意的是，該研究得出了與以往研究不同的結(jié)論。研究人員通過實(shí)驗(yàn)觀察到打印在高厚度粉末上（懸空打?。┑膯蝹€(gè)支柱在激光熔化過程中表現(xiàn)出更低的熱輻射，這一觀察結(jié)果與之前的許多研究不同。此前多項(xiàng)研究表明，在單道掃描實(shí)驗(yàn)中，熔池的輻射溫度隨著粉末厚度的增加而增加。這些作者認(rèn)為，松散粉末的熱導(dǎo)率較低，導(dǎo)致較高的熱輻射，從而造成更大的熔池和相應(yīng)更慢的冷卻速率。

完整支柱與缺失情況下的仿真分析

LLNL的研究人員觀察到相反的效果：當(dāng)熔池?zé)o支撐的出現(xiàn)在厚粉末中時(shí)，相比完整支柱上的良好熔池具有更低的熱輻射。這是由熔池動(dòng)力學(xué)的兩個(gè)特征引起的：這兩個(gè)特征比高速成像和建模結(jié)果顯示的粉末導(dǎo)熱性更重要。首先，由于缺乏對(duì)熔池的支撐，熔池蒸汽反沖壓力導(dǎo)致熔池在厚粉層中進(jìn)一步凹陷，造成低溫粉末因夾帶而向內(nèi)掃掠，落在熱熔池頂部，影響高溫計(jì)測量到熔池表面最熱的部分并阻礙了激光吸收，減少了熔池峰值溫度；第二，缺乏底層支撐導(dǎo)致熔池中的流體流動(dòng)混亂，因此更不穩(wěn)定，進(jìn)而導(dǎo)致更多的熱飛濺噴射，這種熱飛濺會(huì)耗散熔池中的能量，從而導(dǎo)致較低的總峰值溫度。

來自完整支柱的飛濺顆粒比來自破損支柱的飛濺顆粒具有更低的熱輻射，與全支柱相比，半支柱具有更多數(shù)量的飛濺顆粒、噴射速度更低

研究人員表示，確實(shí)觀察到與支柱連續(xù)體相比，由于周圍粉末的熱導(dǎo)率較低，斷裂支柱的冷卻速度較慢，但這種溫度差異僅在激光器關(guān)閉后出現(xiàn)，因?yàn)闊釘U(kuò)散比決定熔池幾何形狀和噴出物的流體動(dòng)力學(xué)過程慢。另有研究人員在打印懸垂結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象，即由高能量密度引起的熱耗散可能會(huì)導(dǎo)致更熱、更大的熔池或增加飛濺噴射，積聚的熱量隨著熱飛濺物的排出而不斷消散，同時(shí)能量沉積在深層粉末上。這兩項(xiàng)研究確定了與研究人員在微晶格支柱打印時(shí)觀察到的相似的熔池冷卻機(jī)制。

END

總的來說，這種識(shí)別指標(biāo)背后的物理機(jī)制是通過高速熱成像、光學(xué)成像和模擬的組合來確定的，在于測定熔體的熱輻射——在出現(xiàn)斷裂缺陷的位置，熱輻射更低——這是由兩種機(jī)制的組合引起的。首先，熔池穩(wěn)定性降低導(dǎo)致能量耗散，在半支柱情況下比在全支柱情況下發(fā)生更多的熱飛濺噴射。其次，半支柱熔池不受先前打印體的支撐，能量會(huì)更深入滲透到粉末床中，導(dǎo)致附近的冷粉末產(chǎn)生陰影效應(yīng)，從而減少同軸熔池傳感器觀察到的熱輻射。

此處描述的缺陷檢測方法說明了基于高溫測量的缺陷檢測方案在量化金屬部3D打印零件中存在的缺陷數(shù)量方面的潛力。

注：本文內(nèi)容由3D打印技術(shù)參考整理編輯，轉(zhuǎn)載請(qǐng)點(diǎn)擊轉(zhuǎn)載須知。