西北大學(xué)和阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室用X射線檢測(cè)定向能沉積

來(lái)源：增材之光

雖然通過(guò)3D打印生成的結(jié)構(gòu)可能是迷人的、有形且極具啟發(fā)性，更不用說(shuō)實(shí)際上的實(shí)用性。仍然會(huì)發(fā)現(xiàn)，技術(shù)背后的操作過(guò)程有點(diǎn)令人生畏，因?yàn)樗坪醪豢赡芡ㄟ^(guò)一些絲材、軟件和硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)�？赡苓�會(huì)驚訝地發(fā)現(xiàn)，即使是非常習(xí)慣3D打印的研究人員也可能對(duì)某些內(nèi)部過(guò)程中發(fā)生的事情一無(wú)所知，特別是在使用激光/粉末組合時(shí)。

為了進(jìn)一步了解，一個(gè)由西北大學(xué)和阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合起來(lái)的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)始研究3D打印期間發(fā)生的事情，而不是之后，在“壓電驅(qū)動(dòng)定向能沉積增材制造的現(xiàn)場(chǎng)高速X射線成像”中發(fā)表他們的研究結(jié)果。作者指出，從歷史角度來(lái)看，以細(xì)微的細(xì)節(jié)監(jiān)控內(nèi)部流程一直是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。中斷過(guò)程可能對(duì)最終產(chǎn)品有害。雖然我們已經(jīng)跟蹤了許多研究人員分析3D打印和獨(dú)特材料的不同實(shí)例，同時(shí)努力在AM中找到改進(jìn)的策略，但這項(xiàng)研究顯然有不同的側(cè)重點(diǎn)：

研究人員表示：“對(duì)先進(jìn)制造工藝進(jìn)行監(jiān)控，以評(píng)估熱歷史、結(jié)構(gòu)和性能的變化，對(duì)于了解工藝過(guò)程中發(fā)生的物理現(xiàn)象和AM中內(nèi)置性能的閉環(huán)控制至關(guān)重要�！�

定向能沉積依賴于加熱的粉末顆粒，熔化以形成結(jié)構(gòu)層。這種制造方法越來(lái)越受歡迎，特別是在快速原型制造和部件維護(hù)方面。優(yōu)點(diǎn)包括更快和更好地固化打印物體，以及材料類(lèi)型和使用的靈活性。

“然而，由于粉末沉積的復(fù)雜性及其在DED中的相互作用，監(jiān)測(cè)單個(gè)顆粒對(duì)熔池的影響以及由此產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)具有挑戰(zhàn)性�！毖芯咳藛T表示，“在這項(xiàng)研究中，低成本的壓電驅(qū)動(dòng)粉末輸送系統(tǒng)用于沉積單個(gè)顆粒，因?yàn)樗鼈兣c移動(dòng)的激光束相互作用，這是一種利用高速X射線成像來(lái)捕捉在電致發(fā)光期間激光物質(zhì)相互作用的基本物理現(xiàn)象的方法。

雖然壓電技術(shù)對(duì)許多人來(lái)說(shuō)是個(gè)新的術(shù)語(yǔ)，但它涉及在壓力或其他作用下釋放電荷。我們?cè)诮衲暝缧�時(shí)候進(jìn)行了一項(xiàng)關(guān)于壓電材料的研究，關(guān)于它們?cè)陂_(kāi)發(fā)各種不同傳感器和智能材料的3D打印方面的潛力。在這項(xiàng)最近的研究中，研究人員對(duì)利用X射線研究壓電定向能感興趣，以了解更多關(guān)于激光和粉末在3D打印過(guò)程中如何相互作用的信息。

在這次實(shí)驗(yàn)中，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)密封腔室，包括壓電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和所需的氬氣。

“觸發(fā)序列始于粉末輸送系統(tǒng)中壓電元件的致動(dòng)，來(lái)自壓電元件的信號(hào)開(kāi)啟激光器。 來(lái)自激光器的“開(kāi)啟”信號(hào)通過(guò)移動(dòng)振鏡掃描儀反射鏡開(kāi)始激光掃描，“研究人員對(duì)觀察系統(tǒng)進(jìn)行了陳述�！爱�(dāng)電流計(jì)反射鏡處于使激光束與壓電驅(qū)動(dòng)的粉末輸送系統(tǒng)對(duì)齊的特定位置時(shí)，X射線快門(mén)打開(kāi)，允許X射線光束進(jìn)入腔室�！�

壓電振動(dòng)使粉末流入激光和X射線束排列的區(qū)域。通過(guò)控制壓電振動(dòng)的頻率和功率來(lái)建立用于控制流速的特定參數(shù)。跟蹤和評(píng)估任何孔隙度，以及濺射和相關(guān)的顆粒噴射。 進(jìn)行此類(lèi)成像實(shí)驗(yàn)的最終希望是更多地了解DED工藝和所涉及的材料。

“在各種DED處理模式下顯示激光物質(zhì)相互作用的高速X射線圖像可以幫助驗(yàn)證熱、熱流體動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)模型�！毖芯咳藛T表示，“在重力作用下，粉末質(zhì)量流量較低，激光誘導(dǎo)的蒸汽羽流將顆粒從熔池中散射出來(lái)，速度高達(dá)10米/秒。”

研究人員指出，大多數(shù)傳感器無(wú)法提供足夠的數(shù)據(jù)，并且不具備顯示DED快速冷卻過(guò)程所需的分辨率。在這項(xiàng)研究中，他們能夠找出孔隙度背后的一些原因，但指出需要更多的研究來(lái)理解粒子夾帶。

控制單個(gè)粒子相對(duì)于激光束的軌跡，可以得出關(guān)于粒子如何進(jìn)入熔池的更確切的觀察結(jié)果。這項(xiàng)工作揭示了惰性載氣輔助顆粒流動(dòng)的必要性。如果沒(méi)有載氣，大多數(shù)粒子會(huì)從熔池中散開(kāi)，而載氣則允許粒子穿透激光誘導(dǎo)的蒸汽等離子體羽流。

“研究載氣壓力和速度影響的未來(lái)工作需要捕捉更具代表性的DED處理中的現(xiàn)象。耦合高分辨率熱監(jiān)測(cè)也有助于進(jìn)一步了解冷卻，更具體地說(shuō)，還有助于了解熔池的凝固行為�！�

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