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      激光金屬3D打印技術的突破減少了缺陷2020-05-09

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      該模擬顯示激光與熔池同時相互作用,并且大量“散布”金屬粉末顆粒。在這種情況下,激光功率高于一個閾值,該閾值將飛濺物驅離了掃描軌道。這樣可以防止由于“激光陰影”而形成缺陷,在這種情況下,熔化的金屬粉末會阻擋或遮蓋激光。信用:LLNL


      勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室(LLNL)的研究人員將高保真計算機模擬與超高速X射線成像相結合,發現了一種減少或什至消除通過普通的基于激光的金屬3D打印制成的零件中缺陷的策略。處理。

      LLNL的研究團隊與空軍研究實驗室的合作者今天(2020年5月8日)在《科學》雜志上發表的工作中,揭示了此前未知的激光粉末床熔融增材制造(LPBF-AM)過程所涉及的動力學,它使用激光束逐層熔化金屬粉末以形成3D零件。這些新近發現的機制會產生“飛濺”,即從激光路徑中噴出的顆?;蚍勰╊w粒團,這些顆?;驁F簇可以落回到零件上,從而可能導致孔形成和缺陷。

      為了更好地理解這些激光飛濺的相互作用以及通過LPBF-AM進行印刷零件認證的更廣泛問題,LLNL研究人員使用計算機模型創建了該過程的“數字孿生”,他們使用它們在微觀規模上進行了模型的虛擬實驗。通過將模擬與在LPBF-AM條件下使用高速X射線和光學成像捕獲的實驗數據進行比較,研究人員開發了產生“功率圖”的穩定性標準。功率圖是一種掃描策略,可沿激光軌跡調整激光功率輸出以穩定熔池,并且是建立“智能前饋”的關鍵組成部分,LLNL倡導將先進的建模和仿真與實驗分析,教3D打印機有效地創建沒有缺陷的零件。

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      研究人員發現,使用這種穩定性標準可以減少或完全消除孔,鎖孔(深而狹窄的熔池)和其他可能導致缺陷的地下現象的出現。此外,他們發現預燒結金屬粉末-在構建之前以低功率在粉末上運行多光束激光以將顆粒融合在一起-還可以幫助減少飛濺并最大程度地減少出現大飛濺的“雪球效應”。在粉末床上,變得難以擺脫。研究人員說,該策略將提高整體零件的可靠性,并有助于廣泛采用增材制造技術。

      “飛濺是制造精美零件的敵人;該論文的主要作者和LLNL計算物理學家Saad Khairallah表示,不僅僅是小顆粒飛來飛去,它們還可以創建一個可以以不同方式和場景影響構建的飛濺類別系統。人們不能僅僅天真地打開激光并開始掃描,因為掃描策略會在音軌開始時產生飛濺,超出大小閾值,這對于構建可能是非常不利的。好消息是,通過使用我們在本文中描述的穩定性標準,他們可以基于可控功率圖來修改掃描策略,以應用該功率圖來防止較大的后向散射?!?br/>
      LPBF-AM是最流行的金屬3D打印工藝,它使用激光束在微細金屬粉末的平板上掃描2D圖案,以形成與下層融合的熔融軌跡,重復此過程數千次,以生成3D對象。盡管表面上看起來很簡單,但該過程仍面臨著廣泛采用的挑戰,這在很大程度上歸因于“可變性”問題,在該問題中,使用相同粉末和參數的同一3D打印機可以生產出質量各異的零件。

      Khairallah說,僅憑實驗本身就無法完全解釋該過程背后的動態,因為它們通常缺乏所需的空間和時間分辨率,并且無法解釋通過實驗觀察到的高度動態和瞬態的LPBF-AM事件,因此需要進行高級建模。Khairallah說,通過高保真多物理場仿真對實驗進行補充,將使研究人員能夠以極高的速度捕獲熔床中粉末床水平及其下方發生的事情,從而為解決可變性問題提供了必不可少的工具。改進零件認證流程。

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      為了創建能夠模擬溫度,速度和激光/熔池相互作用的其他方面的高分辨率模型,Khairallah在名為ALE3D的LLNL多物理場仿真代碼中開發了新功能,以捕獲激光射線對驅逐的影響會產生諸如“激光陰影”之類的缺陷的粒子和其他動力學現象,熔化的金屬粉末會阻擋或遮蓋激光。

      通過將模擬結果與實際實驗進行比較,研究小組得出結論,陰影使熔池深度突然減小,這會在熔池中形成孔-飛濺越大,產生的陰影越多。他們還發現了一種“自我復制”現象,激光會擊中一個較大的飛濺點(飛濺物位于粉末床上)并分裂,從而導致其他飛濺點散布在粉末床上并產生雪球效應。

      研究小組發現,對結構的影響強度取決于激光直徑和功率的某個閾值。Khairallah說,高激光功率有助于驅散可能會阻塞激光的飛濺物,但是如果激光功率上升得太快或太高,則會分別產生較大的后飛濺物和鎖眼。研究人員設計的功率圖可動態調節沿軌道的功率,找到一個“最佳點”,可以保持熔池穩定,排出飛濺物,從而阻止或遮蓋激光,并防止飛濺物變得太大。

      Khairallah說:“借助我們的地圖,您可以設計新的掃描策略或采用現有的掃描策略以保持穩定性,以防止出現毛孔和缺陷?!?“將來,有人可以采用此仿真模型并將其用于任何掃描策略,并找出他們需要在掃描軌道上使用的最佳功率。如果您做的是螺旋形或復雜的幾何形狀,熱量不會很快散失,它將告訴您如何在這些瓶頸區域調整功率?!?br/>
      為了驗證模擬效果,研究人員將它們與在Argonne國家實驗室的Advanced Photon Source同步加速器在原位條件下記錄的超快X射線成像數據以及在LLNL捕獲的高速光學圖像進行了比較。

      “ X射線診斷技術提供了能夠同時探測金屬表面和亞表面的唯一技術,同時還提供了保真度來跟蹤激光引起的結構變化的快速動態,”該技術的共同作者艾登·馬?。ˋiden Martin)說。同步加速器實驗?!袄肵射線成像,我們可以通過實驗觀察ALE3D模擬中探索的飛濺形成和陰影現象?!?br/>
      基于實驗室定向研究與開發(LDRD)計劃開發的實驗測試臺和現有的LLNL超快探測器陣列提供了基于同步加速器X射線成像的能力,這些陣列共同為探測地下LPBF提供了前所未有的時間和空間分辨率-AM現象。

      “該項目的一個令人振奮的突破是能夠以與等效的激光-金屬相互作用的模擬相當的時間和長度尺度來收集數據,” X射線研究的首席研究員Jonathan Lee說?!霸诮Χ喾NLPBF-AM現象的新認識中,LLNL實驗與建模工作之間的協同作用非常寶貴?!? 

      Khairallah說,缺陷背后的復雜且非線性的瞬態物理學需要完整的代碼來對復雜事件進行建模。研究人員說,該團隊開發的標準可以被商業法規采用,并且可以在任何金屬3D打印機中實施,并且還可以應用于基于激光或束的焊接或熔合技術。

      使用ALE3D對熱歷史和流體動力學進行高保真建模,構成了AM材料的“數字孿生”表示法的基礎,這是LDRD資助的旨在控制凝固的微觀結構和機械性能的戰略計劃的主要主題之一。

      “使用經過驗證的模型對系統的能量輸入進行本地控制,不僅為減少缺陷提供了途徑,而且還通過微結構工程為材料增強提供了途徑,” Strategic Initiative LDRD首席研究員兼實驗室加速計劃的項目負責人Manyalibo“ Ibo” Matthews說增材制造項目認證。


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