2024年2月28日，據(jù)資源庫(kù)了解，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)和匹茲堡大學(xué)的研究人員對(duì)激光束粉末床熔融（LPBF）3D打印的缺陷提出了新解釋。研究人員的工作重點(diǎn)是采用LPBF工藝3D打印In718過(guò)程中縮孔的產(chǎn)生及其表現(xiàn)。

這項(xiàng)研究以“A mechanistic explanation of shrinkage porosity in laser powder bed fusion additive manufacturing”為題發(fā)表在《Acta Materialia》雜志上，鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119632。

收縮孔隙度研究的圖形摘要，圖片來(lái)自 Acta Materialia

在傳統(tǒng)的金屬鑄造中，Niyama準(zhǔn)則可用于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)收縮孔的形成。然而，這種方法在LPBF中的應(yīng)用以前尚未被探索過(guò)。此外，在這項(xiàng)研究之前，還沒(méi)有已知的啟發(fā)式方法可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)激光粉末床熔融3D打印中的收縮孔隙率。

研究人員采用了微觀結(jié)構(gòu)表征和分析傳熱模型，這使他們能夠?qū)?D打印中收縮孔隙率的形成進(jìn)行機(jī)理解釋。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，Niyama準(zhǔn)則不能有效預(yù)測(cè)LPBF金屬3D打印過(guò)程中縮松的發(fā)生。此外，還發(fā)現(xiàn)激光功率、掃描速度和預(yù)熱溫度等工藝參數(shù)對(duì)收縮孔隙率有直接影響。

研究得出結(jié)論，收縮孔隙的形成主要由凝固微觀結(jié)構(gòu)中的次級(jí)枝晶臂生長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)，其中在凝固過(guò)程中以高冷卻速率向晶胞生長(zhǎng)的轉(zhuǎn)變通過(guò)去除孔隙形成的位置來(lái)減小孔隙。這意味著基于凝固冷卻速率的啟發(fā)式方法可以可靠預(yù)測(cè)縮孔的發(fā)生。為了實(shí)際使用，研究人員提供了縮孔工藝圖，用于工藝設(shè)計(jì)和控制，以直接幫助工藝規(guī)劃中減少縮孔。工藝-孔隙率關(guān)系結(jié)果還表明，LPBF制造中向更高沉積溫度和更高產(chǎn)量的趨勢(shì)可能會(huì)加劇收縮-孔隙率形成的條件，并進(jìn)一步提高本工作中提出的緩解策略的重要性。

卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)械工程助理教授Sneha Prabha Narra表示，“這是第一次有人根據(jù)凝固和LPBF加工原理解釋收縮孔隙率的發(fā)生。此外，我們還能夠?qū)⑵溆成錇榧庸l件的函數(shù)，并以研究人員和工程師在工藝參數(shù)開(kāi)發(fā)過(guò)程中易于解釋的形式呈現(xiàn)這些信息。這之所以成為可能，是因?yàn)檫@個(gè)項(xiàng)目具有跨學(xué)科和協(xié)作的性質(zhì)。”

克服LPBF工藝中的收縮孔隙率

當(dāng)金屬在冷卻和凝固時(shí)體積收縮時(shí)，就會(huì)發(fā)生收縮孔隙率。如果這種收縮沒(méi)有被剩余的液態(tài)金屬回填，由于金屬流動(dòng)路徑被凝固的微觀結(jié)構(gòu)阻擋，最終零件就會(huì)變得多孔。

這種缺陷會(huì)降低機(jī)械性能，并最終降低金屬零件的功能和可靠性。在逐層LPBF 3D打印過(guò)程中，如果這些收縮孔靠近表面，可以通過(guò)重熔或在3D打印后加工中去除。但是，如果孔隙在零件內(nèi)部形成，則無(wú)法去除。該研究的合著者Frieden Templeton解釋說(shuō)，“這些缺陷發(fā)生在微觀結(jié)構(gòu)的規(guī)模上，很難發(fā)現(xiàn)。使用光學(xué)顯微鏡，它們看起來(lái)也僅僅像小的拋光劃痕?！?/font>

在測(cè)試過(guò)程中，研究人員在一系列激光功率、掃描速度和沉積溫度范圍內(nèi)3D打印了大量IN718樣塊。然后將結(jié)果添加到一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)集中，用于調(diào)查零件質(zhì)量。

該團(tuán)隊(duì)確定了收縮孔隙率的嚴(yán)重程度與某些3D打印加工條件（如激光功率、掃描速度和打印溫度）之間的明顯相關(guān)性。隨著溫度和激光功率的增加，以及掃描速度的降低，收縮孔隙率變得更加嚴(yán)重，并在熔池中形成更深的孔隙。

凝固金屬中收縮孔隙形成的圖示，圖片來(lái)自 Acta Materialia。

利用這些發(fā)現(xiàn)，研究人員在他們的發(fā)現(xiàn)中提出了收縮孔隙率過(guò)程圖。這些可以在金屬增材制造的工藝設(shè)計(jì)和控制階段利用，使制造商能夠通過(guò)3D打印參數(shù)減少和防止收縮孔隙率。

研究人員指出，這對(duì)制造商有特別意義，尤其是在接近500°C的高溫下打印的工藝參數(shù)，以及易受局部溫度積聚影響的復(fù)雜幾何形狀。

2024年2月28日，據(jù)資源庫(kù)了解，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)和匹茲堡大學(xué)的研究人員對(duì)激光束粉末床熔融（LPBF）3D打印的缺陷提出了新解釋。研究人員的工作重點(diǎn)是采用LPBF工藝3D打印In718過(guò)程中縮孔的產(chǎn)生及其表現(xiàn)。

這項(xiàng)研究以“A mechanistic explanation of shrinkage porosity in laser powder bed fusion additive manufacturing”為題發(fā)表在《Acta Materialia》雜志上，鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119632。

收縮孔隙度研究的圖形摘要，圖片來(lái)自 Acta Materialia

在傳統(tǒng)的金屬鑄造中，Niyama準(zhǔn)則可用于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)收縮孔的形成。然而，這種方法在LPBF中的應(yīng)用以前尚未被探索過(guò)。此外，在這項(xiàng)研究之前，還沒(méi)有已知的啟發(fā)式方法可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)激光粉末床熔融3D打印中的收縮孔隙率。

研究人員采用了微觀結(jié)構(gòu)表征和分析傳熱模型，這使他們能夠?qū)?D打印中收縮孔隙率的形成進(jìn)行機(jī)理解釋。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，Niyama準(zhǔn)則不能有效預(yù)測(cè)LPBF金屬3D打印過(guò)程中縮松的發(fā)生。此外，還發(fā)現(xiàn)激光功率、掃描速度和預(yù)熱溫度等工藝參數(shù)對(duì)收縮孔隙率有直接影響。

研究得出結(jié)論，收縮孔隙的形成主要由凝固微觀結(jié)構(gòu)中的次級(jí)枝晶臂生長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)，其中在凝固過(guò)程中以高冷卻速率向晶胞生長(zhǎng)的轉(zhuǎn)變通過(guò)去除孔隙形成的位置來(lái)減小孔隙。這意味著基于凝固冷卻速率的啟發(fā)式方法可以可靠預(yù)測(cè)縮孔的發(fā)生。為了實(shí)際使用，研究人員提供了縮孔工藝圖，用于工藝設(shè)計(jì)和控制，以直接幫助工藝規(guī)劃中減少縮孔。工藝-孔隙率關(guān)系結(jié)果還表明，LPBF制造中向更高沉積溫度和更高產(chǎn)量的趨勢(shì)可能會(huì)加劇收縮-孔隙率形成的條件，并進(jìn)一步提高本工作中提出的緩解策略的重要性。

卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)械工程助理教授Sneha Prabha Narra表示，“這是第一次有人根據(jù)凝固和LPBF加工原理解釋收縮孔隙率的發(fā)生。此外，我們還能夠?qū)⑵溆成錇榧庸l件的函數(shù)，并以研究人員和工程師在工藝參數(shù)開(kāi)發(fā)過(guò)程中易于解釋的形式呈現(xiàn)這些信息。這之所以成為可能，是因?yàn)檫@個(gè)項(xiàng)目具有跨學(xué)科和協(xié)作的性質(zhì)。”

克服LPBF工藝中的收縮孔隙率

當(dāng)金屬在冷卻和凝固時(shí)體積收縮時(shí)，就會(huì)發(fā)生收縮孔隙率。如果這種收縮沒(méi)有被剩余的液態(tài)金屬回填，由于金屬流動(dòng)路徑被凝固的微觀結(jié)構(gòu)阻擋，最終零件就會(huì)變得多孔。

這種缺陷會(huì)降低機(jī)械性能，并最終降低金屬零件的功能和可靠性。在逐層LPBF 3D打印過(guò)程中，如果這些收縮孔靠近表面，可以通過(guò)重熔或在3D打印后加工中去除。但是，如果孔隙在零件內(nèi)部形成，則無(wú)法去除。該研究的合著者Frieden Templeton解釋說(shuō)，“這些缺陷發(fā)生在微觀結(jié)構(gòu)的規(guī)模上，很難發(fā)現(xiàn)。使用光學(xué)顯微鏡，它們看起來(lái)也僅僅像小的拋光劃痕?！?/font>

在測(cè)試過(guò)程中，研究人員在一系列激光功率、掃描速度和沉積溫度范圍內(nèi)3D打印了大量IN718樣塊。然后將結(jié)果添加到一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)集中，用于調(diào)查零件質(zhì)量。

該團(tuán)隊(duì)確定了收縮孔隙率的嚴(yán)重程度與某些3D打印加工條件（如激光功率、掃描速度和打印溫度）之間的明顯相關(guān)性。隨著溫度和激光功率的增加，以及掃描速度的降低，收縮孔隙率變得更加嚴(yán)重，并在熔池中形成更深的孔隙。

凝固金屬中收縮孔隙形成的圖示，圖片來(lái)自 Acta Materialia。

利用這些發(fā)現(xiàn)，研究人員在他們的發(fā)現(xiàn)中提出了收縮孔隙率過(guò)程圖。這些可以在金屬增材制造的工藝設(shè)計(jì)和控制階段利用，使制造商能夠通過(guò)3D打印參數(shù)減少和防止收縮孔隙率。

研究人員指出，這對(duì)制造商有特別意義，尤其是在接近500°C的高溫下打印的工藝參數(shù)，以及易受局部溫度積聚影響的復(fù)雜幾何形狀。