毛孔的SLM金屬3D打印，Nature子刊揭示熱毛細力驅動的孔隙消除機
SLM選區激光粉末床熔化（或稱LPBF）是一種3D打印技術，可以打印具有復雜幾何形狀的金屬零件，而不受傳統制造技術的設計限制。然而，通過LPBF 3D打印的部件通常比常規方法制造的零部件含有更多的孔隙，這幾乎是SLM技術頗為人詬病的主要原因。
近日，阿貢國家實驗室科學家們的論文，激光相互作用區域中由高溫梯度引起的高熱毛細管力可以克服熔體流動引起的阻力，從而在LPBF過程中快速消除熔池中的孔隙。通過調整3D打印方法，來實現熱毛細力驅動的孔隙消除機制，獲得無孔隙的3D打印金屬零件。
SLM金屬3D打印
可以控制的毛孔
Nature Communications 2019年7月12日發表了阿貢國家實驗室的解決方案，通過結合原位高速高分辨率同步加速器X射線成像實驗和多物理場建模，科學家們揭示了LPBF過程中孔隙運動、動力學機制。科學家發現，由激光相互作用區域中的高溫梯度引起的高熱毛細管可以在LPBF過程中快速消除熔池中的孔隙。
在LPBF過程中揭示熔池中孔隙演化和消除的動力學機制可以獲得具有非常低或零孔隙率的3D打印零部件。然而，由于孔的小尺寸和高速度以及金屬的不透明性質，在原位和實時探測這些微孔的運動是非常具有挑戰性的。之前，科學家們嘗試使用X射線成像來可視化孔隙運動，取得了一定程度的成功。但是，實驗室的同步加速器設施所提供的分辨率不足以捕獲這些微孔較快的運動。
阿貢國家實驗室的科學家通過使用高分辨率（100 ps時間分辨率和~2μm空間分辨率）的同步輻射高速硬X射線成像技術，揭示了LPBF過程中熔池中微孔高度動態的復雜運動。通過互補的多物理場建模，科學家發現孔隙運動行為受溫度梯度引起的熱毛細力和熔體流動引起的。（熱毛細力主要是由于流體中存在溫度梯度，導致不同區域的表面張力不同，從而產生的力。）
LPBF孔隙動力學的原位表征
LPBF加工過程中孔隙動力學的原位表征-原位高速X射線成像實驗的示意圖
b代表立方體（300μm×200μm×200μm），由X射線計算機斷層掃描數據重建，顯示增材制造的AlSi10Mg內孔隙的大小和分布。
c單脈沖X射線圖像揭示了微孔以及粉末床表面下方的熔池和凹陷區（激光功率為360 W，掃描速度為1 m s -1，激光束直徑（D 4）σ）100微米。熔池和凹陷區的邊界用白色虛線表示，激光的位置用紅色箭頭表示。
c中的比例尺為50μm
熔池內孔隙運動的動力學
熔池內的動態孔隙運動
a – d X射線圖像顯示LPBF加工過程中的孔隙動態。（粉末層的厚度為100μm）
e – h X射線圖像顯示裸基板激光熔化過程中的孔隙動力學。虛線箭頭表示毛孔的未來軌跡，而實線箭頭表示毛孔軌跡的歷史。
毛孔在循環域（a，e）處遵循圓形圖案
而激光相互作用域中的孔移向凹陷區并從熔池中逸出（d，h）
在過渡域（b，c，f和g），孔表現出不規則的移動行為，有時向熔池表面移動并逃逸（c，g），有時在熔池（b，f）中循環。（激光束直徑（d 4 σ）為100μm，激光功率為360 W，以及掃描速度為1 m s -1。所有比例尺均為50μm)
SLM選區激光粉末床熔化（或稱LPBF）是一種3D打印技術，可以打印具有復雜幾何形狀的金屬零件，而不受傳統制造技術的設計限制。然而，通過LPBF 3D打印的部件通常比常規方法制造的零部件含有更多的孔隙，這幾乎是SLM技術頗為人詬病的主要原因。
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