揭開激光增材製造的神秘面紗

利用I12和LAMPR，3D列印過程中完整的軌道形成過程被揭示出來。第一個完整的軌道和激光/氣體流動的細節顯示在頂部。下面顯示了軌道形成的前幾毫秒該軌道形成的第一階段。圖片來源：Diamond Light Source

增材製造（簡稱AM，俗稱3D列印）能夠使我們創造出令人難以置信的複雜形狀，而這，恰恰是傳統製造技術無法實現的。然而，使用3D列印創建出的對象與傳統製造出的在屬性上會有所不同，有時也是一個缺點。

激光增材製造（簡稱LAM）是使用激光將金屬、陶瓷或其它粉末逐層熔合成複雜三維形狀的一種3D列印工藝。其不同於傳統工藝，冷卻速度非常快，因此還不能準確地獲得材料的最佳性能，延遲了LAM在關鍵工程結構部件（如渦輪葉片）及生物醫學設備生產中的應用。我們需要一種方法來了解LAM的內部過程，以更好地理解和優化激光同材料間的相互作用和粉末固結機制。

在Harwell的一個研究中心，一個研究小組與I12的科學家合作製造了一個激光增材製造機器，它可以在光束線上工作，讓您能夠看到進入過程的核心，揭示LAM在工作期間的潛在物理現象。（I12：聯合工程環境處理（JEEP）光束線和中央激光設施部門）

負責該項目的是曼徹斯特大學的Peter Lee教授，他解釋說：「LAM過程非常快，發生在幾毫秒之內，要想進行研究，我們必須需要一個微秒解析度，而這隻能通過同步加速器來實現。從粉末製備到熔化，然後凝固成最終的固體形狀，我們正在JEEP上研究航空發動機中所使用的高溫合金，我們需要在那裡產生高能量的硬X射線來觀察它們。」

對於這項研究，該團隊創建了一種新型LAM工藝複製器LAMPR，它允許在AM中列印圖層時對熔跡的形成進行成像和定量。LAMPR在設計時是嚴格適合光束線的，並模擬商用LAM系統，其窗口對X射線透明，使科學家能夠直接觀測到LAM過程發生的核心。他們使用高時間和空間解析度的X射線攝影術來揭示LAM工作期間激光物質相互作用和粉末固結的關鍵機制，包括熔體痕迹的形成和演變，飛濺模式，裸露區（無粉區）和沉積層中的孔隙率。所得到的孔隙率以及對飛濺運動的量化提供了關於它們的流速和方向這些關鍵信息，而這些信息還無法通過其它技術獲得。

領導該項研究的Alex Leung說道，「LAMPR是一項獨特的設備，光束線支持是非常重要的，我們與Diamond工作人員合作制定方案，Diamond負責機械設計和光學，並將LAMPR整合到控制系統中去。」

實驗的結果闡明了LAM的物理基礎，這對其發展是至關重要的。之前的假設是成品表面孔隙的形成是由於熔化不完全或液體供給不足造成的。而這項研究表明，它是通過一種孔隙破裂機制形成的。表面附近的孔隙破裂，氣體逸出，留下表面凹陷。

此外，研究小組的結果表明，主軌道材料的連續熔化通常發生在主軌道前方在預熔時，由於表面張力的驅動（Marangoni流動），而使其融入主軌道。金屬蒸汽和對惰性氣體加熱是缺陷的潛在來源，從主軌道噴出粉末到熔融液滴的過程中會形成羽流，

通過對不同的工藝條件進行研究，LAMPR允許團隊創建一個流程圖，來說明如何調整LAM流程，以最少的試驗和錯誤生產出高質量的產品。與傳統的過程圖不同，同步加速器成像產生一個機製圖，顯示限制過程窗口的基本物理過程。這可以改變合金，條件或工藝，以克服限制並獲得更高效的加工環境。

這種方法揭示了孔隙形成的機制，包括LAM期間孔隙的遷移，溶解，擴散和爆裂，未來在這些領域的研究將進一步加深我們對激光物質相互作用性質的基本認識。

原文來自phys，原文題目為Shedding new light on laser additive manufacturing，由材料科技在線匯總整理。

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