新技术极大提高金属3D打印晶格「结构完整性」检测的准确性

2023年3月13日

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金属晶格的高强度和低密度特性已在许多领域得到应用，例如汽车/航天轻量化支架、卫星蒙皮点阵、医学植入体、热交换器以及化学反应器等等。激光粉末床熔融工艺已经成为3D打印晶格或点阵结构的专有技术，然而采用3D打印制造的支柱通常接近工艺本身所能达到的极限，因此常会存在支柱缺失的情况；同时，金属3D打印本身尚无法有效克服的缺陷问题也会出现在点阵/晶格结构中。3D打印技术参考曾介绍过打印缺陷对点阵结构力学性能特别是疲劳损伤的影响。

点阵结构典型应用

新技术极大提高金属3D打印晶格「结构完整性」检测的准确性

3D打印制造的支柱通常接近工艺本身所能达到的极限

为确保质量，研究人员通常会进行打印后的检查，用于晶格非破坏性检查的手段有X射线断层扫描、声发射检测和超声波检测。然而，由于零件和材料的密度以及晶格几何形状的复杂性，这些检查方法既耗时又昂贵，并且在技术上具有挑战性。因此，开发独立的过程监控技术对于确保金属3D打印晶格零件满足质量要求并获得使用认证至关重要。

非破坏性新技术极大提高检测准确度

近日，3D打印技术参考注意到，美国伦斯·利弗莫尔国家实验室（LLNL）的一个团队开发了一种方法，能够在3D打印阶段即可检测和预测增材制造金属晶格结构中的支柱缺陷。该过程结合了监控、成像技术和多物理场模拟，使用户能够在尽可能早的阶段确定零件是否满足质量要求。

这是一种使用高速熔池热监测手段来检测金属晶格结构在3D打印过程中支柱缺失的方法。通过使用光电二极管、高温计（两者都测量从熔池发出的光）和热成像监测金属微晶格结构打印过程中熔池的热辐射来高精度的预测缺陷。

新技术极大提高金属3D打印晶格「结构完整性」检测的准确性

研究人员故意设计的带有支柱缺失的晶格结构

通过测量发现，当晶格支柱在打印过程中出现断裂后，后续的打印过程中熔池的表面温度会变低，造成光电二极管的信号较低。额外的热成像和多物理模拟表明，低光电二极管信号伴随着热飞溅物的存在，热飞溅物将热量从检测中带走，熔池上的粉末也会连续“雪崩”。基于这些观察，开发了一种方法来识别有缺陷的单个支柱。LLNL科学家兼该项目的主要参与者表示，这是第一次在金属晶格中研究这种质量控制过程，并开发出一种方法来检测底部缺失的有缺陷支柱，该方法可以以高于94%的置信度进行预测。

热辐射检测的物理机制

值得注意的是，该研究得出了与以往研究不同的结论。研究人员通过实验观察到打印在高厚度粉末上（悬空打印）的单个支柱在激光熔化过程中表现出更低的热辐射，这一观察结果与之前的许多研究不同。此前多项研究表明，在单道扫描实验中，熔池的辐射温度随着粉末厚度的增加而增加。这些作者认为，松散粉末的热导率较低，导致较高的热辐射，从而造成更大的熔池和相应更慢的冷却速率。

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完整支柱与缺失情况下的仿真分析

LLNL的研究人员观察到相反的效果：当熔池无支撑的出现在厚粉末中时，相比完整支柱上的良好熔池具有更低的热辐射。这是由熔池动力学的两个特征引起的：这两个特征比高速成像和建模结果显示的粉末导热性更重要。首先，由于缺乏对熔池的支撑，熔池蒸汽反冲压力导致熔池在厚粉层中进一步凹陷，造成低温粉末因夹带而向内扫掠，落在热熔池顶部，影响高温计测量到熔池表面最热的部分并阻碍了激光吸收，减少了熔池峰值温度；第二，缺乏底层支撑导致熔池中的流体流动混乱，因此更不稳定，进而导致更多的热飞溅喷射，这种热飞溅会耗散熔池中的能量，从而导致较低的总峰值温度。

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来自完整支柱的飞溅颗粒比来自破损支柱的飞溅颗粒具有更低的热辐射，与全支柱相比，半支柱具有更多数量的飞溅颗粒、喷射速度更低

研究人员表示，确实观察到与支柱连续体相比，由于周围粉末的热导率较低，断裂支柱的冷却速度较慢，但这种温度差异仅在激光器关闭后出现，因为热扩散比决定熔池几何形状和喷出物的流体动力学过程慢。另有研究人员在打印悬垂结构时发现了类似的现象，即由高能量密度引起的热耗散可能会导致更热、更大的熔池或增加飞溅喷射，积聚的热量随着热飞溅物的排出而不断消散，同时能量沉积在深层粉末上。这两项研究确定了与研究人员在微晶格支柱打印时观察到的相似的熔池冷却机制。

END

总的来说，这种识别指标背后的物理机制是通过高速热成像、光学成像和模拟的组合来确定的，在于测定熔体的热辐射——在出现断裂缺陷的位置，热辐射更低——这是由两种机制的组合引起的。首先，熔池稳定性降低导致能量耗散，在半支柱情况下比在全支柱情况下发生更多的热飞溅喷射。其次，半支柱熔池不受先前打印体的支撑，能量会更深入渗透到粉末床中，导致附近的冷粉末产生阴影效应，从而减少同轴熔池传感器观察到的热辐射。

此处描述的缺陷检测方法说明了基于高温测量的缺陷检测方案在量化金属部3D打印零件中存在的缺陷数量方面的潜力。

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