集成X射線、熱成像、可見光等技術(shù)，威斯康星大學(xué)研究電子束金屬3D打印力學(xué)

電子束粉末床熔融（EB-PBF）金屬3D打印技術(shù)利用電子束對(duì)粉末床進(jìn)行預(yù)熱和選擇性熔化，逐層堆積制造三維零件。由于電子束的能量轉(zhuǎn)換率高，不同材料對(duì)電子束能量的吸收率都很高，利用電子束掃描粉末床，可以預(yù)熱到1000℃，大大減小了熔融沉積過程的熱應(yīng)力。

△Luis Izet Escano使用團(tuán)隊(duì)開發(fā)的設(shè)備研究3D打印制造的金屬零件結(jié)構(gòu)。圖片來IZET ESCANO

2022年4月19日，南極熊獲悉，威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的工程師將特殊的高能X射線、熱成像、可見光相結(jié)合，研究新的3D打印技術(shù)，制造先進(jìn)的金屬零件，以更好地了解（并改進(jìn)）有前途的制造方法。

預(yù)防3D打印零件的缺陷很重要。為了更多地了解電子束粉末床融合的3D打印工藝，由助理教授陳連毅領(lǐng)導(dǎo)的威斯康星大學(xué)麥迪遜分校機(jī)械工程師團(tuán)隊(duì)開創(chuàng)了一個(gè)新系統(tǒng)，允許他們使用同步加速器X射線實(shí)時(shí)觀察各個(gè)打印流程，包括正在打印的部件內(nèi)部等。

“電子束金屬3D打印技術(shù)，目前發(fā)展速度非�？�，”陳連毅說�！斑@是制造航空航天零件的一項(xiàng)重要技術(shù)——例如，可用于制造噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的鋁化鈦零件。目前其他的3D打印技術(shù)還無法制造這些。”

電子束粉末床熔合始于基底上的金屬粉末基底。電子束熔化并融合新的粉末層，以自下而上構(gòu)建零件。雖然這個(gè)過程聽起來很簡(jiǎn)單，但該技術(shù)還處于早期階段，還有很多問題需要研究。比如隱藏在金屬層中的缺陷，隨時(shí)可能會(huì)在沒有預(yù)兆的情況下導(dǎo)致故障。

△威斯康星大學(xué)麥迪遜分校機(jī)械工程師團(tuán)隊(duì)所使用的增材制造裝置一角。圖片來IZET ESCANO

“這是我們第一次有能力看到表面之下發(fā)生了什么——形成缺陷的機(jī)制是什么，”陳說�！巴ㄟ^對(duì)打印流程的更深入了解，我們可以持續(xù)改進(jìn)此技術(shù)，將質(zhì)量提升到更高的水平�！�

該團(tuán)隊(duì)于2022年1月初，成功在阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的高級(jí)光子源上完成測(cè)試。該光子源使用粒子加速器產(chǎn)生超亮、高能X射線，以便用于嚴(yán)苛的科學(xué)研究。

威斯康辛大學(xué)的系統(tǒng)結(jié)合了同步x射線成像和衍射——一種利用材料散射x射線的方式來重建形狀的過程。高能同步輻射x射線使研究人員能夠在打印系統(tǒng)工作時(shí)，以前所未有的細(xì)節(jié)觀察材料隱藏的內(nèi)部是如何工作的。熱成像相機(jī)可以讓他們研究工藝過程中監(jiān)控溫度的變化，而可見光相機(jī)可以讓他們研究零件表面結(jié)構(gòu)的變化。

“這項(xiàng)技術(shù)非常令人著迷，”該小組的機(jī)械工程研究生Luis Izet Escano說。“只需在我們的機(jī)器上運(yùn)行一次，我們就能同時(shí)看到打印過程的多個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)�！�

△2019年，他們的Al-10Si-Mg激光粉末床熔合過程的高x射線圖像。激光功率設(shè)定為520 W，掃描速度為0.6 m/s。在30,173 Hz下記錄x射線圖像，有效曝光時(shí)間為100 ps。在圖像中，定量測(cè)量了熔體池和汽壓形態(tài)、凝固速率、熔體流動(dòng)速度和粒子濺射速度。還揭示了不同缺陷的產(chǎn)生機(jī)制。圖片來IZET ESCANO

該團(tuán)隊(duì)克服了在研究電子束粉末床融合過程遇到的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)難題。例如，保持了過程所需的高真空，減輕了測(cè)量中真空泵的振動(dòng)，制造特殊的觀察口，使同步加速器的x射線能夠有效地穿透。

他們宣稱，該技術(shù)不僅是世界上第一個(gè)可以多方面觀察電子束粉末床熔融打印過程的“窗口”，而且未來具有更為廣闊的用途。

“系統(tǒng)的開發(fā)和集成一直是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗�需要多個(gè)工程領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)，”Escano說。“現(xiàn)在，我們機(jī)器的靈活性使我們能夠非�？焖俚剡M(jìn)行實(shí)驗(yàn)和收集數(shù)據(jù)——這將加速我們對(duì)這種3D打印技術(shù)的基本理解和研究。”