阿贡国家实验室新研究:控制3D打印缺陷的新颖方法

阿贡国家实验室新研究:控制3D打印缺陷的新颖方法
当3D打印金属零件时,Argonne的科学家发现表面温度与下面形成的缺陷之间存在相关性。

增材制造技术能够生产出具有复杂形状和最小浪费的零件,有可能彻底改变金属部件的生产。然而,这种潜力目前受到一个关键挑战的限制:控制过程中的缺陷,这可能会影响3D打印材料的性能。

增材制造》杂志上的一篇新论文指出了一个可能的突破性解决方案:利用生产时的温度数据预测表面下缺陷的形成,以便当时就能解决这些缺陷。美国能源部(DOE)阿贡国家实验室的一个研究小组与现在德克萨斯农工大学的一位同事一起发现了这种可能性。

在他们的研究中,科学家使用了阿贡先进光子源(APS)的光束线32-ID-B的极高亮度、高功率的X射线。他们设计了一个实验装置,使他们能够从一个标准的红外相机上捕捉温度数据,从上面观察印刷过程,同时他们使用X射线光束从侧面观察,以确定表面以下是否形成孔隙。

孔隙度是指在激光打印过程中可能出现的微小的、通常是微观的 “空隙”,这些空隙会使部件容易出现裂纹和其他故障。

根据应用材料部门的计算材料科学家、论文的主要作者诺亚·保尔森的说法,这项工作表明,表面温度和下面的孔隙形成之间其实是有关联的。

例如,该研究观察到,峰值温度较低并随后稳定下降的热历史记录很可能与低孔隙度相关。相反,热历史开始时温度很高,再下降,随后增加,则更有可能表明孔隙度大。

科学家使用机器学习算法从复杂的数据中找出规律,并从热历史中预测孔隙度的形成。

虽然3D打印机通常配备了红外相机,但由于成本和复杂性,不可能为商用机器配备APS的那种X射线技术,而APS是世界上最强大的X射线光源之一。但通过设计一种方法来观察3D打印机中已经存在的系统,这就没有必要了。

“通过将APS的结果与我们已经可以在实际打印机中使用红外技术获得的不太详细的结果相关联,我们可以对打印的质量提出要求,而不必实际看到表面以下的情况,”AMD的材料科学家解释说。

在打印时识别和纠正缺陷的能力将对整个增材制造行业产生重要的影响,因为它将消除对每个大规模生产的部件进行昂贵和耗时的检查需要。在传统制造业中,由于工艺的一致性,没有必要对从生产线上出来的每个金属部件进行扫描。

目前D打印错误相关风险,这意味着有成本。这种成本正在抑制这项技术的广泛采用,为了实现其全部潜力,这就需要降低风险以及成本。

展望未来,这项研究对于克服增材制造中的缺陷迈出重要一步,随着不断改进和扩大模型,模型会越来越精确,该研究将对整个增材制造行业产生重要的影响。

这项研究工作得到了Argonne的实验室指导研究与开发计划的支持。

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