LLNL研究人员使用X射线成像来研究金属3D打印部件的缺陷

2019年6月25日，笔者从外媒获悉，美国的一组科学家团队正在利用X射线成像技术研究SLM激光熔融3D打印的金属部件，从而确定金属3D打印部件缺陷形成的原因，并了解如何减轻这些缺陷。

参与本项研究的团队包括：劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL），SLAC国家加速器实验室（SLAC）和艾姆斯实验室。

为了实施该项目，LLNL研究员Nick Calta及其团队设计了一种便携式诊断机，能够使用X射线成像探测金属3D打印过程。该机器最终帮助研究人员对金属增材制造工艺有了新的见解。Calta表示：“绝大多数诊断使用可见光，但也仅限于分析零件的表面，如果我们真的要理解这个过程并看到导致瑕疵的原因，我们需要探测零件的内部，这个仪器可以帮助我们做到。”

便携式诊断机专门设计用于在激光粉末床熔合过程中观察和探测熔池。熔池是激光与金属粉末接触的区域，能够熔合并产生形成3D打印部件的层。为了确保仪器按照研究意图运行，LLNL团队必须将其运输到SLAC。然后安装了SLAC的“同步加速器”，这是制作高能X射线以研究样品所必需的。

使用该机器，研究人员能够成功地观察到表面下熔池的动态变化。它提供了有关成像和X射线衍射组合的有意义的数据，这有助于研究人员观察和了解激光粉末床融合过程中金属如何凝固，这是部件强度的关键决定因素。

卡尔塔说：“到目前为止，我们的结果很有希望。我们希望继续优化仪器并将其应用于不同的材料系统。我们已经拥有了大量基于光学数据的知识，这使我们能够分支出来并补充这些知识。”

LLNL物理学家Ibo Matthews表示，观察熔池的层形成过程以及X射线图像已经证实了先前做出的预测。这些预测激光的路径，热量积聚和激光产生的气流会在打印部件产生缺陷，如毛孔，这会在受到压力时导致部件开裂。研究人员表示，通过建模和详细实验来编译缺陷知识可能有助于加速金属3D打印的改进和信心。

尽管合作仍处于早期阶段，但Calta已经表示，研究人员已经迅速开始绘制毛孔的形成并确定冷却速率的信息。利用X射线成像诊断机，预计该研究将提供对激光熔融过程的更好理解，从而引起各种行业对金属3D打印的进一步兴趣。

Matthews说：“我们正在获得有关熔池结构的信息以及在构建过程中可能出现的问题，通过激光加热熔池产生的蒸汽流可以产生缺陷和毛孔，这些孔隙缺陷可以作为应力集中器服务，并且会损害部件的机械性能。”