激光金属3D打印技术的突破减少了缺陷2020-05-09

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该模拟显示激光与熔池同时相互作用,并且大量“散布”金属粉末颗粒。在这种情况下,激光功率高于一个阈值,该阈值将飞溅物驱离了扫描轨道。这样可以防止由于“激光阴影”而形成缺陷,在这种情况下,熔化的金属粉末会阻挡或遮盖激光。信用:LLNL


劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(LLNL)的研究人员将高保真计算机模拟与超高速X射线成像相结合,发现了一种减少或什至消除通过普通的基于激光的金属3D打印制成的零件中缺陷的策略。处理。

LLNL的研究团队与空军研究实验室的合作者今天(2020年5月8日)在《科学》杂志上发表的工作中,揭示了此前未知的激光粉末床熔融增材制造(LPBF-AM)过程所涉及的动力学,它使用激光束逐层熔化金属粉末以形成3D零件。这些新近发现的机制会产生“飞溅”,即从激光路径中喷出的颗粒或粉末颗粒团,这些颗粒或团簇可以落回到零件上,从而可能导致孔形成和缺陷。

为了更好地理解这些激光飞溅的相互作用以及通过LPBF-AM进行印刷零件认证的更广泛问题,LLNL研究人员使用计算机模型创建了该过程的“数字孪生”,他们使用它们在微观规模上进行了模型的虚拟实验。通过将模拟与在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,研究人员开发了产生“功率图”的稳定性标准。功率图是一种扫描策略,可沿激光轨迹调整激光功率输出以稳定熔池,并且是建立“智能前馈”的关键组成部分,LLNL倡导将先进的建模和仿真与实验分析,教3D打印机有效地创建没有缺陷的零件。

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研究人员发现,使用这种稳定性标准可以减少或完全消除孔,锁孔(深而狭窄的熔池)和其他可能导致缺陷的地下现象的出现。此外,他们发现预烧结金属粉末-在构建之前以低功率在粉末上运行多光束激光以将颗粒融合在一起-还可以帮助减少飞溅并最大程度地减少出现大飞溅的“雪球效应”。在粉末床上,变得难以摆脱。研究人员说,该策略将提高整体零件的可靠性,并有助于广泛采用增材制造技术。

“飞溅是制造精美零件的敌人;该论文的主要作者和LLNL计算物理学家Saad Khairallah表示,不仅仅是小颗粒飞来飞去,它们还可以创建一个可以以不同方式和场景影响构建的飞溅类别系统。人们不能仅仅天真地打开激光并开始扫描,因为扫描策略会在音轨开始时产生飞溅,超出大小阈值,这对于构建可能是非常不利的。好消息是,通过使用我们在本文中描述的稳定性标准,他们可以基于可控功率图来修改扫描策略,以应用该功率图来防止较大的后向散射。”

LPBF-AM是最流行的金属3D打印工艺,它使用激光束在微细金属粉末的平板上扫描2D图案,以形成与下层融合的熔融轨迹,重复此过程数千次,以生成3D对象。尽管表面上看起来很简单,但该过程仍面临着广泛采用的挑战,这在很大程度上归因于“可变性”问题,在该问题中,使用相同粉末和参数的同一3D打印机可以生产出质量各异的零件。

Khairallah说,仅凭实验本身就无法完全解释该过程背后的动态,因为它们通常缺乏所需的空间和时间分辨率,并且无法解释通过实验观察到的高度动态和瞬态的LPBF-AM事件,因此需要进行高级建模。Khairallah说,通过高保真多物理场仿真对实验进行补充,将使研究人员能够以极高的速度捕获熔床中粉末床水平及其下方发生的事情,从而为解决可变性问题提供了必不可少的工具。改进零件认证流程。

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为了创建能够模拟温度,速度和激光/熔池相互作用的其他方面的高分辨率模型,Khairallah在名为ALE3D的LLNL多物理场仿真代码中开发了新功能,以捕获激光射线对驱逐的影响会产生诸如“激光阴影”之类的缺陷的粒子和其他动力学现象,熔化的金属粉末会阻挡或遮盖激光。

通过将模拟结果与实际实验进行比较,研究小组得出结论,阴影使熔池深度突然减小,这会在熔池中形成孔-飞溅越大,产生的阴影越多。他们还发现了一种“自我复制”现象,激光会击中一个较大的飞溅点(飞溅物位于粉末床上)并分裂,从而导致其他飞溅点散布在粉末床上并产生雪球效应。

研究小组发现,对结构的影响强度取决于激光直径和功率的某个阈值。Khairallah说,高激光功率有助于驱散可能会阻塞激光的飞溅物,但是如果激光功率上升得太快或太高,则会分别产生较大的后飞溅物和锁眼。研究人员设计的功率图可动态调节沿轨道的功率,找到一个“最佳点”,可以保持熔池稳定,排出飞溅物,从而阻止或遮盖激光,并防止飞溅物变得太大。

Khairallah说:“借助我们的地图,您可以设计新的扫描策略或采用现有的扫描策略以保持稳定性,以防止出现毛孔和缺陷。” “将来,有人可以采用此仿真模型并将其用于任何扫描策略,并找出他们需要在扫描轨道上使用的最佳功率。如果您做的是螺旋形或复杂的几何形状,热量不会很快散失,它将告诉您如何在这些瓶颈区域调整功率。”

为了验证模拟效果,研究人员将它们与在Argonne国家实验室的Advanced Photon Source同步加速器在原位条件下记录的超快X射线成像数据以及在LLNL捕获的高速光学图像进行了比较。

“ X射线诊断技术提供了能够同时探测金属表面和亚表面的唯一技术,同时还提供了保真度来跟踪激光引起的结构变化的快速动态,”该技术的共同作者艾登·马丁(Aiden Martin)说。同步加速器实验。“利用X射线成像,我们可以通过实验观察ALE3D模拟中探索的飞溅形成和阴影现象。”

基于实验室定向研究与开发(LDRD)计划开发的实验测试台和现有的LLNL超快探测器阵列提供了基于同步加速器X射线成像的能力,这些阵列共同为探测地下LPBF提供了前所未有的时间和空间分辨率-AM现象。

“该项目的一个令人振奋的突破是能够以与等效的激光-金属相互作用的模拟相当的时间和长度尺度来收集数据,” X射线研究的首席研究员Jonathan Lee说。“在建立对多种LPBF-AM现象的新认识中,LLNL实验与建模工作之间的协同作用非常宝贵。”  

Khairallah说,缺陷背后的复杂且非线性的瞬态物理学需要完整的代码来对复杂事件进行建模。研究人员说,该团队开发的标准可以被商业法规采用,并且可以在任何金属3D打印机中实施,并且还可以应用于基于激光或束的焊接或熔合技术。

使用ALE3D对热历史和流体动力学进行高保真建模,构成了AM材料的“数字孪生”表示法的基础,这是LDRD资助的旨在控制凝固的微观结构和机械性能的战略计划的主要主题之一。

“使用经过验证的模型对系统的能量输入进行本地控制,不仅为减少缺陷提供了途径,而且还通过微结构工程为材料增强提供了途径,” Strategic Initiative LDRD首席研究员兼实验室加速计划的项目负责人Manyalibo“ Ibo” Matthews说增材制造项目认证。


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