勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL），SLAC國家加速器實驗室（SLAC）和艾姆斯實驗室的科學家正在研究X射線成像，以檢查激光粉末床融合過程中的金屬部件。該研究論文是實驗室之間合作的一部分，旨在確定金屬3D打印部件缺陷的原因，并了解如何減輕這些缺陷。
     為了實施該項目，LLNL研究員Nick Calta及其團隊設(shè)計了一種便攜式診斷機，能夠使用X射線成像探測金屬3D打印過程。該機器最終幫助研究人員對金屬添加劑制造工藝有了新的見解。 “絕大多數(shù)診斷使用可見光，這些非常有用，但也僅限于分析零件的表面，”Calta解釋說。“如果我們真的要理解這個過程并看到導致瑕疵的原因，我們需要通過這個樣本進行探測。這個儀器允許我們這樣做?！?/p>

勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的研究人員（左起）Phil Depond，Nick Calta，Aiden Martin和Jenny Wang。照片來自LLNL。
        實驗室之間的多年合作伙伴關(guān)系由能源部（DOE）的能源效率和可再生能源（EERE）先進制造辦公室提供資金。 SLAC和AMES都是DOE實驗室，LLNL也主要由聯(lián)邦機構(gòu)資助。實驗室之間的合作是美國能源部國家實驗室大創(chuàng)意峰會（BIS）的一個分支。
        DOE的BIS是一年一度的活動，旨在培養(yǎng)國家實驗室綜合體的協(xié)作和戰(zhàn)略技術(shù)規(guī)劃。三個實驗室之間建立的合作項目反映了BIS，SLAC貢獻其X射線技術(shù)，Ames實驗室提供粉末，金屬和材料科學方面的專業(yè)知識。 “這是一個非常好的團隊，因為每個合作伙伴都會帶來力量，”LLNL材料科學部S＆T副部門主管Tony Van Buuren說?！霸搱F隊正在構(gòu)建一種獨特的功能，并提供您無法通過其他任何方式獲得的信息。我們一起引入了診斷技術(shù)，融入了科學，并開始研究新材料?！?/p>

大創(chuàng)意峰會。照片來自美國能源部。
使用X射線成像識別金屬AM部件中的孔隙
      便攜式診斷機專門設(shè)計用于在激光粉末床熔合過程中觀察和探測熔池。熔池是激光與金屬粉末接觸的區(qū)域，能夠熔合并產(chǎn)生形成3D打印部件的層。由于研究項目的激進時間表，它原位組裝，并且證明難以構(gòu)建。為了確保儀器按照研究意圖運行，LLNL團隊必須將其運輸?shù)絊LAC。然后安裝了SLAC的“同步加速器”，這是制作高能X射線以研究樣品所必需的。在SLAC的Stanford Synchrotron Radiation Lightsource使用該機器，研究人員能夠成功地觀察到表面下熔池的動態(tài)變化。它提供了有關(guān)成像和X射線衍射組合的有意義的數(shù)據(jù)，這有助于研究人員觀察和了解激光粉末床融合過程中金屬如何凝固，這是部件強度的關(guān)鍵決定因素。
     “成功將更多地了解物理學，讓我們修改過程以避免缺陷，到目前為止，我們的結(jié)果很有希望。我們希望繼續(xù)優(yōu)化儀器并將其應(yīng)用于不同的材料系統(tǒng)。我們已經(jīng)擁有了大量基于光學數(shù)據(jù)的知識，這使我們能夠分支出來并補充這些知識?！?/p>

EOS 3D打印機上激光粉末床熔合（LPBF）添加劑制造工藝的一個例子。通過EOS拍照

       LLNL物理學家Ibo Matthews表示，觀察熔池的層形成過程以及X射線圖像與模擬的比較的能力已經(jīng)證實了先前做出的預測。這些預測激光的路徑，熱量積聚和激光產(chǎn)生的氣體羽流會在印刷部分產(chǎn)生缺陷，如毛孔，這會在受到壓力時導致部件開裂。研究人員表示，通過建模和詳細實驗來編譯缺陷知識可能有助于加速金屬3D打印的改進。