美國阿爾貢國家實(shí)驗(yàn)室提出控制3D打印缺陷的新方法

來源：江蘇激光聯(lián)盟

未來幾十年如果繼續(xù)保持技術(shù)創(chuàng)新的態(tài)勢(shì)，尤其是在運(yùn)輸和能源領(lǐng)域，必將伴隨著制造科學(xué)的進(jìn)步。由于增材制造能生產(chǎn)具有復(fù)雜幾何形狀和卓越性能的部件，而這些部件的材料和能源浪費(fèi)最少，因此增材制造已經(jīng)在這一轉(zhuǎn)變中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。激光粉末床熔合（L-PBF）是一種廣泛使用的增材工藝，因?yàn)樗�能夠生產(chǎn)出具有幾何公差的致密金屬部件。在L-PBF中，激光掃描金屬粉末床，并在路徑中將粉末熔化以形成一層一層的固體成分。盡管L-PBF制造的部件具有商業(yè)用途，但它們?cè)诟咝阅芙巧�（例如渦輪風(fēng)扇組件）中的使用受到空隙、裂紋、表面粗糙度和其他缺陷的普遍出現(xiàn)的限制。近年來，大量的研究努力旨在減少增材制造部件中缺陷的形成。

與現(xiàn)有方法相反，這里研究人員研究了稱為鎖孔孔隙度的地下孔隙的形成與整個(gè)L-PBF過程中材料點(diǎn)的熱歷史之間的聯(lián)系。當(dāng)熔池中的能量密度過剩時(shí)，通常是由于高激光功率和低掃描速度導(dǎo)致的，產(chǎn)生的熔池變得更深，并且存在一個(gè)汽化材料的凹陷區(qū)，工藝進(jìn)入鍵孔模式。鎖孔的孔隙度是由鎖孔或凹陷區(qū)的不穩(wěn)定性引起的。研究人員認(rèn)為，熱歷史的特征（例如最大輻射率和隨時(shí)間變化的冷卻速率）與熔池的動(dòng)力學(xué)相關(guān)。為了研究這些現(xiàn)象，研究采用了定制設(shè)備，其中可編程的激光在粉床上進(jìn)行掃描。使用固定紅外（IR）相機(jī)測(cè)量表面的熱特征（以黑體輻射的形式），同時(shí)通過基于同步加速器的高速X射線成像觀察熔池動(dòng)力學(xué)和孔隙形成。在獲得用于處理?xiàng)l件分布的熱歷史和相關(guān)孔隙率水平的數(shù)據(jù)集后，采用遺傳算法（GA）選擇關(guān)鍵特征，以校準(zhǔn)各種機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）技術(shù)。結(jié)果是一個(gè)預(yù)測(cè)模型，該模型給出了IR測(cè)得的以前未表征的加工條件的熱歷史，從而形成了形成孔隙的可能性。雖然僅靠熱歷史不可能足以預(yù)測(cè)孔隙率，但它有望成為一種與機(jī)器設(shè)置和復(fù)雜零件的加工路徑無關(guān)的工具。這是一個(gè)重要的標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)閮H依靠激光參數(shù)（例如功率、掃描速度和光斑大�。┖秃�(jiǎn)單的構(gòu)建參數(shù)的模型將無法解決實(shí)際零件中熱量積累的復(fù)雜分布。這項(xiàng)工作為實(shí)時(shí)控制L-PBF提供了一種工具，其目的是生產(chǎn)出缺陷水平較低的部件。

在阿爾貢國家實(shí)驗(yàn)室(ANL)的高級(jí)光子源(APS)的32-ID-B束線上進(jìn)行了利用同時(shí)高速x光和紅外成像的L-PBF實(shí)驗(yàn)。圖1顯示了激光粉末床熔化過程的實(shí)驗(yàn)裝置及其與x射線和紅外成像的集成示意圖。用一個(gè)18毫米周期的波蕩器產(chǎn)生一次諧波能量為25千電子伏的多色X射線束。當(dāng)激光束穿過樣品時(shí)，允許X射線束穿過樣品。使用單晶LuAG:Ce閃爍體(厚度100微米)將透射的x射線轉(zhuǎn)換成可見光光子。轉(zhuǎn)換后的可見光圖像隨后用商業(yè)高速相機(jī)(Photron FastCam SA-Z，Photron公司，日本東京)進(jìn)行記錄。使用一對(duì)安全快門和x射線狹縫來定義x射線束撞擊樣品的持續(xù)時(shí)間和大小。在本研究中，高速攝像機(jī)使用了30，000赫茲的幀速率和1.97微米的像素大小。

圖1.示意圖，顯示了用于現(xiàn)場(chǎng)記錄LPBF工藝的實(shí)驗(yàn)裝置。 圖片來源：清華大學(xué)

當(dāng)前工作中介紹的所有測(cè)試都是在微型粉末床樣品上進(jìn)行的，該樣品由Ti-6Al-4V 5級(jí)基材和夾在兩個(gè)玻璃碳板之間的粉末組成（圖1）。金屬基板的制造尺寸為400微米厚，2.85-2.9毫米高，50毫米長，而玻璃碳板則制造為3毫米高，50毫米長。為了減少樣品發(fā)射率的變化并提高X射線圖像質(zhì)量，使用一系列拋光將每個(gè)Ti-6Al-4V襯底的頂面（如圖1所示）作為金屬襯底拋光成鏡面光潔度。拋光步驟以4000粒度砂紙結(jié)束。玻碳板和金屬基材之間的高度差產(chǎn)生了一個(gè)100-150μm高的通道，該通道中填充了直徑為15-45μm的粉末。

從高速X射線表征或X射線圖像中提取孔隙的位置和類型，X射線圖像是結(jié)合在一起形成視頻的幀。研究人員通過依次瀏覽視頻的每個(gè)幀并手動(dòng)識(shí)別何時(shí)從液體表面或熔池中的鑰匙孔進(jìn)入孔隙來實(shí)現(xiàn)此目的，如圖2所示�？自谌鄢刂斜蛔R(shí)別為圓形區(qū)域使用強(qiáng)度較低的像素。研究人員截?cái)嗔嘶叶戎狈綀D，以優(yōu)先考慮地下孔隙度和鍵孔形成的可見性（犧牲了基材上方粉末動(dòng)力學(xué)的可見性）并根據(jù)X射線圖像中的10μm邊界將孔隙率分為大或小。一些研究已經(jīng)觀察到這種雙峰效應(yīng)對(duì)孔隙度的影響。在L-PBF相關(guān)文獻(xiàn)中，小孔隙度被歸類為粉末本身或周圍大氣中截留的氣體孔隙度。一項(xiàng)研究L-PBF Ti-6Al-4V中孔隙率的研究發(fā)現(xiàn)，存在的大多數(shù)孔隙率是氣體夾帶的孔隙率，直徑小于10μm。L-PBF處理的Ti-6Al-4V的另一項(xiàng)研究以1000μm2的增量裝箱了其組分中發(fā)現(xiàn)的孔隙度，最小裝箱尺寸為1000μm2。他們發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)孔隙位于該最小尺寸的容器中，或直徑小于18μm。這項(xiàng)研究的10微米孔徑截?cái)嘀蹬c觀察到類似孔隙率的其他研究相當(dāng)。給定檢測(cè)器分辨率，實(shí)際檢測(cè)極限約為四個(gè)像素，或者大小等于或大于7.9μm的特征。

圖2.確定了運(yùn)行（a）2和（b）10中除了其他特征以外的�。ǚ奂t色圓圈）和大（黃色圓圈）孔隙率的示例。

該研究觀察到峰值溫度較低且隨后持續(xù)下降的熱歷史可能與低孔隙率相關(guān)。相比之下，熱歷史開始高，下降，然后增加，更有可能表明大孔隙率�？茖W(xué)家們使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法來理解復(fù)雜的數(shù)據(jù)，并根據(jù)熱歷史預(yù)測(cè)孔隙的形成。保爾森表示與使用數(shù)百萬個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的科技巨頭開發(fā)的工具相比，這種努力只能用幾百個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。這要求研究人員開發(fā)一種定制的方法，充分利用有限的數(shù)據(jù)。

雖然3D打印機(jī)通常配備有紅外攝像機(jī)，但其成本和復(fù)雜性使其不可能為商用機(jī)器配備APS中存在的那種x光技術(shù)，APS是世界上最強(qiáng)大的x光光源之一。但是通過設(shè)計(jì)一種方法來觀察已經(jīng)存在于3D打印機(jī)中的系統(tǒng)，這就沒有必要了。

在印刷時(shí)識(shí)別和糾正缺陷的能力將對(duì)整個(gè)增材制造行業(yè)產(chǎn)生重要影響，因?yàn)樗鼘⑾�除�?duì)每個(gè)批量生產(chǎn)的組件進(jìn)行昂貴且耗時(shí)的檢查的需求。在傳統(tǒng)制造中，工藝的一致性使得無需掃描從生產(chǎn)線出來的每個(gè)金屬組件。認(rèn)識(shí)到增材制造相對(duì)于傳統(tǒng)制造的主要優(yōu)勢(shì)之一，這一工作變得更加緊迫。研究人員從今年的疫情反應(yīng)中看到，能夠快速使生產(chǎn)適應(yīng)新的設(shè)計(jì)和需求將具有多大的價(jià)值。3D技術(shù)非常適應(yīng)這些變化。