集成X射线、热成像、可见光等技术，威斯康星大学研究电子束金属3D打印力学

电子束粉末床熔融（EB-PBF）金属3D打印技术利用电子束对粉末床进行预热和选择性熔化，逐层堆积制造三维零件。由于电子束的能量转换率高，不同材料对电子束能量的吸收率都很高，利用电子束扫描粉末床，可以预热到1000℃，大大减小了熔融沉积过程的热应力。

△Luis Izet Escano使用团队开发的设备研究3D打印制造的金属零件结构。图片来IZET ESCANO

2022年4月19日，南极熊获悉，威斯康星大学麦迪逊分校的工程师将特殊的高能X射线、热成像、可见光相结合，研究新的3D打印技术，制造先进的金属零件，以更好地了解（并改进）有前途的制造方法。

预防3D打印零件的缺陷很重要。为了更多地了解电子束粉末床融合的3D打印工艺，由助理教授陈连毅领导的威斯康星大学麦迪逊分校机械工程师团队开创了一个新系统，允许他们使用同步加速器X射线实时观察各个打印流程，包括正在打印的部件内部等。

“电子束金属3D打印技术，目前发展速度非常快，”陈连毅说。“这是制造航空航天零件的一项重要技术——例如，可用于制造喷气发动机的铝化钛零件。目前其他的3D打印技术还无法制造这些。”

电子束粉末床熔合始于基底上的金属粉末基底。电子束熔化并融合新的粉末层，以自下而上构建零件。虽然这个过程听起来很简单，但该技术还处于早期阶段，还有很多问题需要研究。比如隐藏在金属层中的缺陷，随时可能会在没有预兆的情况下导致故障。

△威斯康星大学麦迪逊分校机械工程师团队所使用的增材制造装置一角。图片来IZET ESCANO

“这是我们第一次有能力看到表面之下发生了什么——形成缺陷的机制是什么，”陈说。“通过对打印流程的更深入了解，我们可以持续改进此技术，将质量提升到更高的水平。”

该团队于2022年1月初，成功在阿贡国家实验室的高级光子源上完成测试。该光子源使用粒子加速器产生超亮、高能X射线，以便用于严苛的科学研究。

威斯康辛大学的系统结合了同步x射线成像和衍射——一种利用材料散射x射线的方式来重建形状的过程。高能同步辐射x射线使研究人员能够在打印系统工作时，以前所未有的细节观察材料隐藏的内部是如何工作的。热成像相机可以让他们研究工艺过程中监控温度的变化，而可见光相机可以让他们研究零件表面结构的变化。

“这项技术非常令人着迷，”该小组的机械工程研究生Luis Izet Escano说。“只需在我们的机器上运行一次，我们就能同时看到打印过程的多个关键点。”

△2019年，他们的Al-10Si-Mg激光粉末床熔合过程的高x射线图像。激光功率设定为520 W，扫描速度为0.6 m/s。在30,173 Hz下记录x射线图像，有效曝光时间为100 ps。在图像中，定量测量了熔体池和汽压形态、凝固速率、熔体流动速度和粒子溅射速度。还揭示了不同缺陷的产生机制。图片来IZET ESCANO

该团队克服了在研究电子束粉末床融合过程遇到的几个关键技术难题。例如，保持了过程所需的高真空，减轻了测量中真空泵的振动，制造特殊的观察口，使同步加速器的x射线能够有效地穿透。

他们宣称，该技术不仅是世界上第一个可以多方面观察电子束粉末床熔融打印过程的“窗口”，而且未来具有更为广阔的用途。

“系统的开发和集成一直是一个巨大的挑战，因为它需要多个工程领域的专业知识，”Escano说。“现在，我们机器的灵活性使我们能够非常快速地进行实验和收集数据——这将加速我们对这种3D打印技术的基本理解和研究。”