LLNL研发检测金属3D打印缺陷新技术，时间仅需几分钟

2022年4月29日，南极熊获悉，劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的研究人员，开发了一种基于激光超声波(SAW)的检测新方法，它可以实时监测激光粉末床熔合(LPBF)金属3D打印中的微小表面和亚表面缺陷。

△金属3D打印示例图。图片来自Goolge

该团队宣称说，他们开发的系统可以快速检测激光熔池、空隙和表面特征，可达到有效和准确地评估激光熔线（激光在LPBF打印中液化金属粉末的轨迹）；使用光学显微镜和X射线断层扫描(CT)验证了这些发现。

研发目的
LLNL工程师兼首席研究员David Stobbe说：“我们希望这项研究能够证明全光学超声系统能够快速、准确的对LPBF和粉末工艺进行原位表征分析。” “基于激光的超声、表面声波系统对表面和近表面特征表现出极好的敏感性，包括LPBF熔线断裂、金属表面飞溅和内部气孔都可以检测。”

声波历来被用于工程材料中的裂缝、凹坑和焊缝等表面和近表面特征分析，并在地质学中用于检测洞穴等地下特征。据研究人员称，由于SAW具有表面和近表面的敏感特性，非常适合分析LPBF打印中的激光熔池。

△实验测量结果与模拟结果和熔体线几何形状的光学测量结果非常吻合。获取论文更多信息：Kathryn Jinae Harke等人，《先进制造材料中表面和亚表面特征基于激光的超声分析》，科学报告(2022)。 DOI：10.1038/s41598-022-07261-w（点我传送门）

上图测试结果注释：( a )熔融池的光学图像。由于光束边缘中断，在y = 13 mm附近观察到熔线断裂。( b )模拟熔体线断裂附近的位移。观察到来自熔化线末端和起点的抛物线散射以及来自熔化线的平面反射间隙。( c )沿样品的y轴扫描时实验测量的法向位移。在y = 13 mm附近，熔化线的平面反射中断很明显。( d ) ( c )中图像的放大部分，显示熔线末端的抛物线散射、熔线起点的微弱抛物线散射和熔线中的间隙。

进行实验
为了测试这种技术潜力，LLNL团队通过使用指向真空室的光纤激光器生产激光熔化线进行了实验，并生产了钛合金样品，分别使用100瓦、150瓦和350瓦功率的激光器进行分析。同时，他们开发了一种产生和检测表面声波的方法，使用脉冲激光产生超声波，并用光折变激光干涉仪测量位移。

随后，该团队还进行了模拟实验，以验证实验的准确性。他们模拟并测量了脉冲激光的位移，并显示了熔体线的散射，以及熔体线的断裂、熔体线附近的金属飞溅物和熔体线下方的气孔。该团队通过实验测量了相同的特征，并验证模拟和实验具有一致性。

△由其他平台检测的3D打印金属零件。照片来自Sigma实验室

全光学超声(LBU)具有时间成本优势
基于激光的超声(LBU)实验结果，通过光学显微镜对表面特征和X射线PC断层扫描，对亚表面特征进行了验证。研究人员报告说，与X射线CT相比，LBU系统“能够更好地执行实时检查，并且可以更快地获取和处理数据”。

LLNL工程师和主要作者Kathryn Harke说：“与传统的X射线CT相比，使用基于激光的超声显着缩短了表层下空隙检测的时间，从几天缩短到几分钟。” “虽然该技术距离真正的实际应用还有很多的工作要做，但这个发现让我们非常兴奋。”

实验室研究人员表示，虽然该方法非常适用于LPBF打印，但目前可检测空隙的大小和深度还存在限制，未来还需要进一步开发。