金属3D打印部件的结构缺陷如何造成？研究员给出了结果

3D打印技术正被越来越多的行业所采用，并且在可靠性方面也在逐步提高，但是像任何方法一样，都存在一定的缺陷。关于3D打印过程如何出现问题，以及更多的细节被发现，美国能源部领导的一批研究员最近也在对此进行研究。由密苏里科技大学、阿贡国家实验室和卡内基梅隆大学的研究人员组成的团队对3D打印件的结构缺陷进行了调查。

金属3D打印是大规模3D打印中最常用的形式，大多数技术涉及使用自动激光器，由数字模型编程，以选择性地熔化金属粉末床的区域。熔融金属最终重新固化，并且可以以这种方式逐层地形成特定的3D形状。然而，这种模制发生的原因仍然是一个谜团，研究人员希望对其内部工作进行一些阐述，以了解可能造成3D打印金属部件的结构缺陷的一些常见原因是什么。

该调查正在利用科学部最高科技用户设施之一的先进光子源。基于强同步加速器X射线的记录设备，研究员能够实时地研究整个激光熔融过程。据阿贡物理学家Tao Sun说，“激光与金属的相互作用发生得很快。幸运的是，我们使用高级光子源的高速X射线仪器每秒钟捕获50,000帧的过程。我们可以研究逐帧生成的电影，以检查材料的微观结构，特别是缺陷和毛孔的形成。”

研究人员观察和量化熔池的尺寸或形状、粉末喷射量、固化和孔隙率形成以及不同相之间的各种变化等特征。使用各种物理理论和计算，这个X射线“电影”给出的细节可以用来构建精心设计的预测模型。然后使用这些模型重新设计3D打印过程，测试可能避免某些结构缺陷的方法。使用相同的X射线技术研究这一过程。通过这种方式，研究人员可以获得越来越多的有关金属3D打印的信息以及如何提高其可靠性。
研究团队与全国各地的实验室和研究机构分享他们的结论和预测模型，团队不仅希望微调目前使用的3D打印技术，还旨在发现新的方法和探索新的可能性。Argonne的首席材料科学家和Argonne的添加剂制造工程的项目联合负责人Aaron Greco说：“目前工业仅限于某种金属合金。但是新的呢？如果您了解如何打印新合金相关的物理性质，则可以将其纳入该过程，并提高打印的可靠性。”

除了改进和扩大用于工业3D打印的材料范围外，研究还可以帮助制造更复杂零件的初始设计阶段。更好地了解3D打印过程的工作原理将意味着设计师不必花费太多时间来研究如何提高其结构的质量和可靠性。这将允许数字模型被大大简化，只考虑关键因素。据Greco说，“我们的工作不仅有助于行业提高效率和性能，而且增加了金属3D打印在其他应用中被广泛采用的可能性。”
据了解，该研究结果已于最近发表在科学报告上，文章标题为“使用高速x射线成像实时监测激光粉末床融合过程”。实验在Advanced Photon Source的32-ID-B光束线上进行。