基于激光的金属3D印刷中的突破会降低缺陷

该仿真显示了与熔池同时相互作用的激光和金属粉末颗粒的大“飞溅”。在这种情况下，激光功率高于从扫描轨道排出溅射的阈值。这种防止由于“激光阴影”而形成的缺陷，其中熔化的金属粉末可以阻挡或蚀地反应激光。

将高保真计算机仿真与超高速X射线成像相结合，劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的研究人员已经发现了一种减少甚至消除通过普通的激光的金属3D印刷内置零件缺陷的策略过程。

在今天发布的工作中（5月8日）由LLNL的研究团队以及空军研究实验室的合作者以及在激光粉床融合添加剂制造（LPBF-AM）过程中展示了先前未知的动态。 ，使用激光束来熔化金属粉末层，以形成3D部件。这些新发现的机制产生“飞溅” - 从激光器的路径中喷射的粉末颗粒颗粒或颗粒，可以落在零件上 - 可能导致孔隙形成和缺陷。

为了更好地了解这些激光互动和虽然LPBF-AM印刷的认证部件的更广泛的问题，LLNL研究人员使用计算机模型来创建过程的“数字双胞胎”，它们用于在微尺度上执行构建的虚拟实验。通过将模拟与LPBF-AM条件下使用高速X射线和光学成像捕获的实验数据进行比较，研究人员开发了一种稳定标准，导致“电源图”。电源图是一种扫描策略，可调节沿激光轨道的激光功率输出，以稳定熔体池，是一个用于建立“智能前馈”的关键构建块，该设计过程由LLNL冠军，它结合了先进的建模和模拟实验分析教导3D打印机有效创建零件而没有缺陷。

研究人员发现，当使用时，稳定标准可以减少或完全消除孔隙，孔洞（深霜池）和其他表面现象的外观，这是可以导致缺陷的。另外，它们发现，预烧结金属粉末 - 在低功耗下在粉末上运行多孔激光器以在构建之前将颗粒熔断在一起 - 也可以帮助减少飞溅并最小化“雪球效应”，其中出现大型溅射率在粉末床上，变得难以摆脱。研究人员表示，该战略将提高整体零件可靠性，并帮助更广泛地采用添加剂制造技术。

“飞溅是建造好零件的敌人;这不仅仅是飞行的小颗粒，他们可以创建一个可以以不同方式和场景影响构建的飞溅的系统，“纸张的主要作者和LLNL计算物理学家萨德考拉说。“人们不能只是天真地打开他们的激光并开始扫描，因为扫描策略可以在轨道开始时创建喷溅，超出大小阈值，这对构建非常糟糕。好消息是，通过使用我们在论文中描述的这种稳定标准，它们可以根据它们适用的受控电源映射修改扫描策略，以防止大量的后溅。“

最流行的金属3D打印过程，LPBF-AM采用激光束在微观金属粉末的平板上扫描2D图案，以形成熔化的熔断器，使得与下层熔断，重复数千次以产生3D对象的过程。尽管其明显的简单性，但该过程仍然面临着广泛采用的挑战，这在很大程度上是“变异性”问题，其中相同的3D印刷机使用相同的粉末和参数，可以产生具有不同质量的部件。

Khairallah说，单独采取实验无法充分解释该过程背后的动态，因为他们往往缺乏所需的空间和时间分辨率，并对实验观察的高度动态和瞬态LPBF-AM活动的解释，这需要进行先进的建模。Khairallah表示，通过高保真多物理模拟的补充实验将使研究人员以非常高的速度在熔池中捕获在粉末床水平和下方的情况下，提供不可或缺的工具，用于解决可变性问题的不可或缺的工具改善零件认证过程。

为了创建能够模拟激光/熔池池交互的温度，速度和其他方面的高分辨率模型，Khairallah在称为ALE3D的LLNL多物理模拟代码中开发了新功能，以捕获激光光线对驱逐的影响熔化金属粉末可以阻挡或蚀地产生诸如“激光阴影”的颗粒和其他动态的颗粒和其他动态。

通过将模拟与现实世界的实验进行比较，球队得出结论，遮蔽池池深度突然减少，这可以在熔体池中产生孔隙 - 溅射率越大，导致的阴影越大。他们还发现了“自我复制”的现象，其中激光击中大型喷溅地点（坐在粉末床上）并分裂，导致额外的喷射部位分散在粉末床上并产生雪球效果。

该团队发现，对构建的影响的强度取决于激光直径和功率的特定阈值。Khairallah说，高激光功率可用于驱逐移动，可以阻挡激光，但如果激光功率太快升高，或者太高，它可以分别产生大的后溅物和钥匙孔。电源映射研究人员设计的动态调整沿着轨道的电力，找到一个可以保持熔池稳定的“甜点”，驱逐块或阴影激光，可以防止飞溅变得太大。

“通过我们的地图，您可以设计新的扫描策略或适应维持稳定以防止毛孔和缺陷的现有扫描策略，”Khairallah说。“在未来，有人可以采用此仿真模型，并为任何扫描策略运行，并且P沿扫描轨道使用的最佳功率。如果您正在进行螺旋或复杂的几何形状，那里的热量不会迅速消散，它会告诉您如何在这些瓶颈区域调整电源。“

为了验证模拟，研究人员将它们与在argonne国家实验室和在LLNL捕获的高速光学图像中的高速光子源同步roton处于原位条件下记录的超快X射线成像数据。

“X射线诊断提供了唯一可以同时探测金属表面和副表面的技术，同时还提供追踪激光诱导的结构变化的快速动态的保真度，”技术领先地位同步rotron实验。“X射线成像的使用使我们能够通过实验地观察ALE3D模拟中探索的飞溅形成和阴影的现象。”

基于同步的X射线成像的能力由在实验室指导的研发（LDRD）程序（LDRD）程序（LDRD）程序（LDRD）程序（LLNL Ultrafast探测器阵列中）开发的实验试验床提供，该探测器阵列一起为探测子表面LPBF提供了前所未有的时间和空间分辨率-am现象。

“该项目的激动人心的突破是利用相当激光 - 金属相互作用模拟的可比时间和长度的数据收集数据，”X射线研究的主要调查员Jonathan Lee表示。“LLNL实验和建模努力之间的协同作用在开发对多个LPBF-AM现象的新了解方面非常宝贵。”

Khairallah说，缺陷背后的复杂和非线性瞬态物理学需要全面的代码模拟复杂事件。研究人员表示，可以通过商业代码采用团队开发的标准，并且可以将其实施到任何金属3D打印机中，也可以应用于激光或基于梁的焊接或融合技术。

使用ALE3D的热历史和流体动力学的高保真建模构成了AM材料的“数字双胞胎”表示的基础，其中LDRD资助的战略倡议中的主要主题之一旨在控制固化的微观结构和机械性能。

“使用验证型号对系统的能源输入的局部控制不仅通过微观结构工程缺陷缓解，而且通过微观结构工程进行材料增强，”战略倡议LDRD和项目领先的主要调查人员的Manyalibo“IBO”Matthews表示，“实验室加速”瘾地制造金属项目认证。

参考：Saad A. Khairallah，Aden A. Martin，Jonathan Ri Lee，Gaboolas P. Calta，Joshua A. Hammons，Michael H. Nielsen，迈克尔H.Nielsen，迈克尔H.Nielsen，迈克尔H. Nielsen，迈克尔H. Nielsen，迈克尔H.Nielsen，迈克尔H. Nielsen，凯文·尼尔森，Edwin Schwalbach，Megna N. shah，Michael G. Chapman，Trevor M. Willey，Alexander M. Rubenchik，Andrew T. Anderson，Y.Morris Wang，Manyalibo J. Matthews和Wayne E. King，2020年5月8日。 DOI：
10.1126 / science.aay7830

最新作品也符合LDRD资金。Llnl共同作者包括Gabe Guss，Nicholas Calta，Joshua Hammons，Michael Nielsen，Trevor Willey，Alexander Rubenchik，Andy Anderson，Morris Wang，Matthews和Wayne King。外面的合作者包括Kevin Chaput，Edwin Schwalbach，Megna Shah，美国的Michael Chapman。Llnl的Chad Noble是工作中使用的ALE3D程序的团队领导者。