LLNL研究人员使用X射线成像来减轻金属3D打印部件的缺陷

来源：中国3D打印网

劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL），SLAC国家加速器实验室（SLAC）和艾姆斯实验室的科学家正在研究X射线成像，以检查激光粉末床融合过程中的金属部件。该研究论文是实验室之间合作的一部分，旨在确定金属3D打印部件缺陷的原因，并了解如何减轻这些缺陷。

劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究人员（左起）Phil Depond，Nick Calta，Aiden Martin和Jenny Wang。照片来自LLNL。

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添加剂制造工艺有了新的见解。 “绝大多数诊断使用可见光，这些非常有用，但也仅限于分析零件的表面，”Calta解释说。“如果我们真的要理解这个过程并看到导致瑕疵的原因，我们需要通过这个样本进行探测。这个仪器允许我们这样做。“

实验室之间的多年合作伙伴关系由能源部（DOE）的能源效率和可再生能源（EERE）先进制造办公室提供资金。 SLAC和AMES都是DOE实验室，LLNL也主要由联邦机构资助。实验室之间的合作是美国能源部国家实验室大创意峰会（BIS）的一个分支。

DOE的BIS是一年一度的活动，旨在培养国家实验室综合体的协作和战略技术规划。三个实验室之间建立的合作项目反映了BIS，SLAC贡献其X射线技术，Ames实验室提供粉末，金属和材料科学方面的专业知识。 “这是一个非常好的团队，因为每个合作伙伴都会带来力量，”LLNL材料科学部S＆T副部门主管Tony Van Buuren说。“该团队正在构建一种独特的功能，并提供您无法通过其他任何方式获得的信息。我们一起引入了诊断技术，融入了科学，并开始研究新材料。“

EOS 3D打印机上激光粉末床熔合（LPBF）添加剂制造工艺的一个例子。通过EOS拍照

使用X射线成像识别金属AM部件中的孔隙
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。由于研究项目的激进时间表，它原位组装，并且证明难以构建。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。在SLAC的Stanford Synchrotron Radiation Lightsource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。

“成功将更多地了解物理学，让我们修改过程以避免缺陷，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射线图像与模拟的比较的能力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体羽流会在印刷部分产生缺陷，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。