雖然金屬LPBF粉末床激光熔融3D打印技術(shù)在各種應(yīng)用中具有很大的潛力，但這個(gè)過程缺乏對(duì)產(chǎn)品一致性的控制，成為進(jìn)入到生產(chǎn)領(lǐng)域的一大限制因素。為了推動(dòng)金屬LPBF粉末床激光熔融3D打印技術(shù)從快速原型設(shè)計(jì)思維到快速制造，重要的是要深入了解影響加工工藝的因素，從而提高增材制造過程控制。為此，美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）正在努力開發(fā)一種新的基于算法科學(xué)的增材制造設(shè)計(jì)策略，該策略可以通過使用定制和模擬驅(qū)動(dòng)的光源來控制傳導(dǎo)熱?？蒲腥藛T將研究結(jié)果發(fā)表成論文 “Spatial modulation of laser sources for microstructural control of additively manufactured metals”（“通過空間調(diào)制激光源用于控制金屬微觀結(jié)構(gòu)”），其中他們展示了在LPBF 3D打印過程中如何控制光束橢圓度用于微結(jié)構(gòu)控制。

光束橢圓度與微觀結(jié)構(gòu)

       從生物打印血管，使用3D打印控制反應(yīng)材料到3D打印納米多孔金以及研究金屬3D打印缺陷，勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）的科學(xué)家因其令人印象深刻的3D打印材料工作而聞名。

      最常用于金屬3D打印的合金，如316L不銹鋼，鈦合金如Ti-6Al-4V，Inconel 718/625高溫合金，以及鋁合金如Al-Cu-Mg-Sc-Si，這些材料基本上是為傳統(tǒng)的生產(chǎn)流程開發(fā)的，并不是專門為增材制造加工工藝開發(fā)的。不適合的材料原料，以及缺乏對(duì)微觀結(jié)構(gòu)形成產(chǎn)生影響的局部熱傳導(dǎo)活動(dòng)的控制，來自過程監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)有限而導(dǎo)致對(duì)過程的預(yù)測(cè)能力不足。

      勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）的研究結(jié)果表明，光束調(diào)制提供了位點(diǎn)特定的微觀結(jié)構(gòu)控制，這些結(jié)果可以通過熔池動(dòng)力學(xué)和熱分布的有限元建模來解釋。該團(tuán)隊(duì)使用的是簡(jiǎn)單的光束整形光學(xué)元件，理論上在商業(yè)化層面上可以實(shí)現(xiàn)。

     因此，通過利用這種光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)熱梯度，可以通過在構(gòu)建過程中調(diào)制光束形狀來控制特定位置的等軸或柱狀晶粒，研究人員在Concept Laser的設(shè)備上進(jìn)行了對(duì)316L不銹鋼粉末的加工。在單軌激光熔化實(shí)驗(yàn)期間使用316L不銹鋼基板。在他們的LPBF測(cè)試平臺(tái)中，該團(tuán)隊(duì)通過50毫米FL透鏡來控制600 W光纖激光器的光束。

     利用LLNL的ALE3D數(shù)值模擬軟件工具，研究人員模擬了實(shí)際的粒度分布和隨機(jī)粒子堆積，然后通過使用激光射線追蹤算法模擬激光與實(shí)際粉末床的相互作用。通過混合有限元法解決了三維模型在非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格上的元素和有限體積公式。為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，掃描速度設(shè)定為1800mm / s，能量密度為61J / mm 3。

     使用LLNL的ALE3D代碼模擬激光模型相互作用，可以研究光束形狀對(duì)軌道宏觀和微觀結(jié)構(gòu)的影響。研究人員確定“較低的激光功率下凝固對(duì)等軸晶的形成是有利的”，與光束橢圓度無關(guān)。當(dāng)功率和掃描速度上升時(shí)，柱狀晶粒的濃度通常增加，這時(shí)候可以通過改變光束橢圓率來實(shí)現(xiàn)特定位置的微觀結(jié)構(gòu)控制。此外，使用交替光束形狀的完整構(gòu)建甚至可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)。

     研究人員還研究了高斯和橢圓激光強(qiáng)度分布對(duì)單軌微觀結(jié)構(gòu)的影響。當(dāng)激光加熱發(fā)生熱傳導(dǎo)模式時(shí)，橢圓形強(qiáng)度的光斑比圓形輪廓的光斑在大得多的參數(shù)空間上產(chǎn)生等軸或混合等軸柱狀晶粒。這表明晶粒形態(tài)可以通過改變光束強(qiáng)度和空間輪廓來定制，同時(shí)保持恒定的激光功率和掃描速度。

Review

    勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）在2017年就創(chuàng)造了三倍的強(qiáng)度的超強(qiáng)耐腐蝕不銹鋼316L，LLNL聯(lián)合喬治亞理工大學(xué)和美國(guó)俄勒岡州立大學(xué)的阿姆斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們通過改變加工參數(shù)和過程控制來提高零件的力學(xué)性能。通過控制激光能量以及采取快速冷卻的過程，科研人員獲得了更加致密的零件加工結(jié)果。

    這是一種常見的“海洋級(jí)” 不銹鋼，具有低碳組成。在石油管道、發(fā)動(dòng)機(jī)零件和廚房設(shè)備等場(chǎng)合被廣泛使用，通常具有低腐蝕性和高延展性。測(cè)試表明堅(jiān)固耐磨的3D打印316L不銹鋼可以提供比其他形式的鋼更高水平的強(qiáng)度和延展性，使其有助于化學(xué)設(shè)備、醫(yī)療植入物、發(fā)動(dòng)機(jī)零件以及需要其設(shè)備優(yōu)異物理性能的各種其他應(yīng)用。

      研究人員不僅僅將這種過程控制工藝應(yīng)用到不銹鋼的加工中，還擴(kuò)展到其他金屬材料的加工中。3D科學(xué)谷了解到他們可以使得3D打印機(jī)在不同的尺度上構(gòu)建小型的墻壁單元結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)可以防止裂縫和其他常見問題的發(fā)生。這種高強(qiáng)度不銹鋼的獲得可以使得3D打印技術(shù)不僅可用于航空航天行業(yè)制造飛機(jī)燃料箱，還可以用于核電廠用來制造高強(qiáng)度壓力管。

      關(guān)于單晶合金，除了激光粉末床熔融3D打印技術(shù)，在電子束粉末床熔融3D打印方面，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究，通過電子束3D打印來制備CMSX_4材料也獲得一系列的進(jìn)展。高冷卻速度為合金設(shè)計(jì)開辟了新的可能性。通過選擇性電子束熔化金屬3D打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)CMSX-4?的無裂縫加工。通過采用合適的加工策略，可以直接從粉末床中獲得單晶結(jié)構(gòu)。而實(shí)驗(yàn)證明，通過金屬3D打印實(shí)現(xiàn)凝固微觀結(jié)構(gòu)和相關(guān)的偏析結(jié)構(gòu)可以帶來非常精細(xì)的結(jié)果，與鑄造微觀結(jié)構(gòu)相比要小100倍。因此，均質(zhì)化熱處理時(shí)間也顯著的從幾小時(shí)減少到幾分鐘。

    此外，除了通過對(duì)加工策略的調(diào)整以及對(duì)冷卻速率的控制，美國(guó)HRL 實(shí)驗(yàn)室在2017年還提出了引入納米顆粒來提升合金材料性能的研究。影響合金材料在增材制造工藝中使用的原因是，打印過程中材料的熔融和凝固產(chǎn)生了具有大柱晶粒和周期性裂紋的微觀結(jié)構(gòu)。HRL 實(shí)驗(yàn)室表示，可以通過在增材制造材料中引入納米顆粒成核劑的方式來解決這一問題。

      而在顆粒增強(qiáng)合金性能方面的研究，思萊姆智能科技還開發(fā)了納米CrC顆粒混雜增強(qiáng)鎳基高溫合金的復(fù)合材料，由于凝固速度很快，晶粒來不及長(zhǎng)大，仍然保持有納米顆粒的特性，所制造的零件組織細(xì)小致密，且力學(xué)性能優(yōu)異。采用的是選擇性激光融化技術(shù)3D打印技術(shù)，克服了傳統(tǒng)制備方法的局限, 改善了顆粒團(tuán)聚和界面結(jié)合問題，并且可以加工成復(fù)雜零件的形狀，而無需工裝夾具或模具的支持，同時(shí)在這個(gè)過程中, 材料利用率高。

      總之，通過粉末床熔融技術(shù)來開發(fā)高性能材料的方法多種多樣，目前使用的方法主要包括對(duì)加工工藝的控制、激光光束的控制、冷卻速度的控制以及使用顆粒增強(qiáng)的方法。

來源：3d打印網(wǎng)

編輯：董強(qiáng)