看见不可见的东西：X 射线如何揭示 3D 打印过程中的飞溅行为

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伦敦大学学院研究人员进行的研究揭示并解释了在各种行业相关加工条件下 LPBF 过程中蒸汽下降形状和飞溅动力学之间的联系。
这项研究发表在《国际极限制造杂志》上，不仅量化了飞溅和飞溅与激光的相互作用，还提出了减少缺陷的策略，从而提高了 LPBF 制造零件的表面质量。
LPBF 过程中的飞溅会引起表面缺陷，影响制造部件的疲劳性能。
“飞溅是工业 3D 打印应用中的主要问题之一，它会导致孔隙形成和表面粗糙，”该论文的通讯作者、伦敦大学学院机械工程副教授 Chu Lun Alex Leung 说道。
“由于难以实现无缺陷、高表面质量的金属部件，LPBF 在安全关键应用中的采用受到了阻碍。”
同样是通讯作者和伦敦大学学院机械工程教授的 Peter D. Lee 教授强调说：“目前，对 LPBF 过程中飞溅的研究有限，我们的目标是利用高能同步加速器 X 射线源提高对飞溅形成机制的理解。”
LPBF 是一种领先的金属 3D打印技术，当使用适当的工艺参数时，有可能生产出缺陷水平和机械性能超越传统铸件的部件。
然而，它们目前可能还达不到由锻造产品加工而成的部件的表面质量和缺陷水平。表面区域的缺陷（或粗糙度）减少应能进一步改善 LPBF 部件的疲劳性能。
表面缺陷通常与 LPBF 期间的飞溅形成有关。过大的飞溅会粘附在 AM 部件的表面上，从而增加表面缺陷和粗糙度；它们还可能在后续构建层中被困在粉末床中，导致熔合不足的孔隙。
飞溅物可能会发生氧化，从而降低粉末的可回收性和可重复使用性。表面氧化物会抑制颗粒融合并促进孔隙的形成，从而降低 LPBF 部件的密度。因此，更深入地了解飞溅物的演变对于缓解这些问题至关重要。
实验是使用定制的 AM 机器进行的，称为四激光原位和操作过程复制器 (Quad-ISOPR)。Quad-ISOPR 包括四个激光器和工业扫描头系统，以及充满氩气保护气的定制环境室。
腔内安装有一个厚度为 1 毫米、高度为 15 毫米的基板，一层薄薄的粉末会自动沉积在该基板上。
使用原位高速同步加速器 X 射线，可以以出色的空间和时间分辨率捕捉 LPBF 期间的飞溅和熔池动态。原位实验在欧洲同步辐射装置 (ESRF) 的高速成像光束线 ID19 上进行，使用平均能量为 ∼30 keV 的多色硬 X 射线束和帧率为 40 kHz 的高速摄像机。
“我们的研究预测了 Al-Zr-Fe 合金系统 LPBF 过程中形成的飞溅数量，”该校博士后、第一作者 Da Guo 说道。“这一预测可用于未来的模型验证和减少飞溅。”
研究人员正在继续努力加深对 3D 打印应用中各种商用材料飞溅形成的了解，目标是实现更高表面质量的 LPBF 部件以供实际使用。通过这些进步，他们希望为 LPBF 在工业中的更广泛应用做出重大贡献，特别是在组件完整性至关重要的应用中。