從左至右：副教授 Lianyi Chen 和博士生 Jiandong Yuan 和 Ali Nabaa 致力于開(kāi)發(fā)光束整形方法，以實(shí)現(xiàn)缺陷少、生產(chǎn)率高的金屬增材制造。圖片來(lái)源：Joel Hallberg。

威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的工程師們找到了一種方法，可以同時(shí)緩解使用一種著名的增材制造技術(shù)(激光粉末床熔合)生產(chǎn)的零件中的三種缺陷。

在威斯康星大學(xué)麥迪遜分校機(jī)械工程副教授陳連一的帶領(lǐng)下，該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了這些機(jī)制，并確定了可以顯著減少缺陷的加工條件。研究人員在 2024 年 11 月 16 日發(fā)表在《 國(guó)際機(jī)床工具制造雜志》上的一篇論文中詳細(xì)介紹了他們的研究結(jié)果。

“以前的研究通常側(cè)重于減少一種缺陷，但這需要使用其他技術(shù)來(lái)減輕其余類(lèi)型的缺陷，”陳說(shuō)。“基于我們發(fā)現(xiàn)的機(jī)制，我們開(kāi)發(fā)了一種可以同時(shí)減輕所有缺陷(孔隙、粗糙表面和大飛濺)的方法。此外，我們的方法使我們能夠更快地生產(chǎn)零件，而不會(huì)影響質(zhì)量。”

航空航天、醫(yī)療和能源等多個(gè)行業(yè)對(duì)使用增材制造技術(shù)生產(chǎn)使用傳統(tǒng)方法難以或無(wú)法制造的復(fù)雜形狀的金屬零件越來(lái)越感興趣。

但最大的挑戰(zhàn)是，用增材制造技術(shù)制造的金屬部件存在缺陷，如孔隙、粗糙表面和大塊飛濺物，這些缺陷會(huì)嚴(yán)重?fù)p害成品部件的可靠性和耐用性。這些質(zhì)量問(wèn)題使 3D 打印部件無(wú)法用于不允許出現(xiàn)故障的關(guān)鍵應(yīng)用。

通過(guò)提供同時(shí)提高零件質(zhì)量和制造生產(chǎn)率的途徑，威斯康星大學(xué)麥迪遜分校團(tuán)隊(duì)的進(jìn)步可能會(huì)導(dǎo)致行業(yè)廣泛采用激光粉末床熔合技術(shù)。

激光粉末床熔合技術(shù)使用高能激光束熔化并融合薄層金屬粉末，從下往上逐層構(gòu)建零件。在這項(xiàng)研究中，威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的團(tuán)隊(duì)使用了由領(lǐng)先的激光公司 nLight 提供的創(chuàng)新環(huán)形激光束，而不是通常的高斯形光束。

“環(huán)形激光束在這一突破中發(fā)揮了關(guān)鍵作用——關(guān)鍵的‘原位’實(shí)驗(yàn)也是如此，”該論文的第一作者、陳團(tuán)隊(duì)的博士生袁建東說(shuō)。

為了了解打印過(guò)程中材料在部件內(nèi)的表現(xiàn)，研究人員前往了先進(jìn)光子源，這是阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的超亮高能同步加速器 X 射線(xiàn)用戶(hù)設(shè)施。研究人員結(jié)合高速同步加速器 X 射線(xiàn)成像、理論分析和數(shù)值模擬，揭示了缺陷緩解機(jī)制，這些機(jī)制涉及減少激光粉末床熔合過(guò)程中不穩(wěn)定性現(xiàn)象。

研究人員還證明，他們可以使用環(huán)形光束在材料中鉆得更深，而不會(huì)導(dǎo)致工藝不穩(wěn)定。這使他們能夠打印更厚的層，從而提高制造效率。“因?yàn)槲覀兞私饬说讓訖C(jī)制，所以我們可以更快地確定正確的加工條件，以使用環(huán)形光束生產(chǎn)高質(zhì)量的零件，”陳說(shuō)。