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(guò)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(guò)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(kāi)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(guò)使用定制和模擬驅(qū)動(dòng)的光源來(lái)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(guò)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(guò)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(kāi)發(fā)的，并不是專(zhuān)門(mén)為增材制造加工工藝開(kāi)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(lái)自過(guò)程監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)有限而導(dǎo)致對(duì)過(guò)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(guò)熔池動(dòng)力學(xué)和熱分布的有限元建模來(lái)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(guò)利用這種光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)熱梯度，可以通過(guò)在構(gòu)建過(guò)程中調(diào)制光束形狀來(lái)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(guò)50毫米FL透鏡來(lái)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(guò)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(guò)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(wú)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(guò)改變光束橢圓率來(lái)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(guò)改變光束強(qiáng)度和空間輪廓來(lái)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(guò)改變加工參數(shù)和過(guò)程控制來(lái)提高零件的力學(xué)性能。通過(guò)控制激光能量以及采取快速冷卻的過(guò)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(jiàn)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(guò)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(jiàn)問(wèn)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(lái)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(guò)電子束3D打印來(lái)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(kāi)辟了新的可能性。通過(guò)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(wú)裂縫加工。通過(guò)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(guò)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(lái)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(guò)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(lái)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(guò)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(guò)在增材制造材料中引入納米顆粒成核劑的方式來(lái)解決這一問(wèn)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(kāi)發(fā)了納米CrC顆?；祀s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(lái)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(wèn)題，并且可以加工成復(fù)雜零件的形狀，而無(wú)需工裝夾具或模具的支持，同時(shí)在這個(gè)過(guò)程中, 材料利用率高。

      總之，通過(guò)粉末床熔融技術(shù)來(lái)開(kāi)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(lái)源：3d打印網(wǎng)

編輯：董強(qiáng)