工程师们发现了一种方法，可以减少使用一种广泛使用的增材制造技术——激光粉末床熔融法——制造的部件中的三种不同类型的缺陷。
威斯康星大学麦迪逊分校的工程师们找到了一种新的方法，可以同时解决通过一种受欢迎的增材制造工艺——激光粉末床熔融法——制造的部件中出现的三种不同缺陷。
在威斯康星大学麦迪逊分校机械工程副教授陈连毅的指导下，研究团队发现了导致缺陷显著减少的机制，并确定了必要的加工条件。他们的研究结果于2024年11月16日发布在《国际机床与制造杂志》上。
“过去的大多数研究集中在修复一种类型的缺陷，这通常涉及采用额外方法来解决其他缺陷，”陈解释道。“有了我们所识别的机制，我们制定了一种可以同时处理所有类型缺陷——如孔隙、不平整的表面和大飞溅——的方法。此外，该方法还允许在不牺牲质量的情况下实现更快的生产。”
航空航天、医疗保健和能源等各个行业越来越希望采用增材制造或3D打印，来制造那些用传统技术难以或无法制造的复杂金属部件。
然而，增材制造生产的金属部件常常存在缺陷——如孔隙或“空洞”、不平坦的表面和大飞溅——这些缺陷显著削弱了部件的可靠性和持久性。这些质量问题限制了3D打印组件在关键应用中的使用，因为在这些应用中，失败是不可接受的。
威斯康星大学麦迪逊分校团队的这一进展，促进了部件质量和生产效率的提升，可能促进激光粉末床熔融法在各行业的更广泛应用。
该过程涉及使用强大的激光熔化和融合薄层金属粉末，逐层从底部向上构建组件。在他们的研究中，团队使用了一种由顶级激光制造商nLight提供的创新环形激光束，而不是传统的高斯形激光束。
根据论文的首席作者、陈研究小组的博士生袁建东的说法，环形激光束的引入对于实现这一发展至关重要，同时还进行了必要的“原位”实验。
为了分析材料在打印过程中的行为，研究人员访问了阿尔贡国家实验室的先进光子源，这是一个高度先进的高能同步辐射X射线设施。通过快速同步辐射X射线成像、理论评估和数值模拟的结合，他们揭示了减轻缺陷的机制，解决了激光粉末床熔融过程中固有的不稳定性。
团队还展示了使用环形光束可以更深地穿透材料，而不引入不稳定性。这种能力使得打印更厚的层成为可能，从而提高制造效率。“通过抓住基本机制，我们能够快速确定使用环形光束生产高质量部件的适当加工条件，”陈说道。
陈连毅担任机械工程的郭克和蔡芬王副教授。
其他来自威斯康星大学麦迪逊分校的合作者包括郭启琳、路易斯·埃斯卡诺、阿里·纳巴、曲鸣雷、黄君业、李青元、艾伦·乔纳森·罗曼和蒂姆·奥斯瓦尔德教授。来自阿尔贡国家实验室的塞缪尔·克拉克和卡梅尔·费扎也对此项研究做出了贡献。
该项目得到了国家科学基金会和威斯康星大学校友研究基金会的支持。
