粉末床激光熔化一種備受關(guān)注的金屬3D打印技術(shù)，憑借在制造復(fù)雜性設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢，這一技術(shù)有望改變制造過程。然而這一技術(shù)尚未達(dá)到*佳的操作可靠性，其中的挑戰(zhàn)在于如何控制復(fù)雜的激光-粉末-熔池相互依賴性的動(dòng)力學(xué)。

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，美國勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）等科研機(jī)構(gòu)的研究人員開展了一項(xiàng)研究，通過高保真度的仿真技術(shù)與同步加速器實(shí)驗(yàn)捕獲中納秒級(jí)的快速多瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)，在此過程中，他們發(fā)現(xiàn)了新的由“飛濺” [1] 引起的3D打印質(zhì)量缺陷的形成機(jī)制，并發(fā)現(xiàn)這一機(jī)制取決于掃描策略以及激光遮蔽和驅(qū)逐之間的關(guān)系，*終得出了穩(wěn)定熔池動(dòng)力學(xué)并使缺陷*小化的穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)。[2]

這項(xiàng)研究結(jié)果有助于提高粉末床激光熔化3D打印的質(zhì)量可靠性，促進(jìn)該技術(shù)在工業(yè)制造中的應(yīng)用。

科學(xué)方法：替代以經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的試錯(cuò)

在這項(xiàng)研究中，研究人員基于實(shí)驗(yàn)和多物理場仿真模型確定了會(huì)降低3D打印成型零件性能的熔體飛濺和缺陷形成的起源。

激光功率的調(diào)節(jié)對(duì)于避免干擾粉末床和產(chǎn)生激光遮蔽很重要，根據(jù)這一機(jī)制能夠減少孔的形成，并使3D打印零件更具均勻性。但LLNL 實(shí)驗(yàn)室表示，僅憑實(shí)驗(yàn)本身無法完全解釋激光熔化過程背后的動(dòng)態(tài)，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通常缺乏所需的空間和時(shí)間分辨率，并且無法解釋通過實(shí)驗(yàn)觀察到金屬粉末熔化中的高度動(dòng)態(tài)和瞬態(tài)。而高保真多物理場仿真是對(duì)實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充，研究人員能夠以極高的速度捕獲粉末床與熔池中發(fā)生的事情，為解決打印質(zhì)量可變性問題提供必不可少的工具。

LLNL 團(tuán)隊(duì)使用計(jì)算機(jī)模型創(chuàng)建了激光粉末熔融過程的“數(shù)字孿生”，從而更好地理解激光與飛濺的相互作用，以及更好的理解如何3D打印零件質(zhì)量認(rèn)證等更廣泛的問題，并且使用“數(shù)字孿生”進(jìn)行了構(gòu)建過程的虛擬實(shí)驗(yàn)。

研究人員將仿真結(jié)果與高速X射線和光學(xué)成像技術(shù)在激光熔化增材制造過程中所捕獲真實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，開發(fā)了一種穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)-“功率地圖（power map）”。

“功率地圖”可以理解為一種智能化的激光掃描策略，作用是沿激光軌跡調(diào)整激光功率輸出以穩(wěn)定熔池，這是建立粉末床激光熔化工藝“智能前饋”的關(guān)鍵組成部分。也就是說，這種將先進(jìn)的建模和仿真與實(shí)驗(yàn)分析相結(jié)合的技術(shù)，能夠“教會(huì)”3D打印設(shè)備如何有效地創(chuàng)建無缺陷的零件。

根據(jù)LLNL, 研究人員發(fā)現(xiàn)，這種穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)可以減少或完全消除粉末床激光熔化3D打印零件中的孔、小孔（深而狹窄的熔池）和其他可能導(dǎo)致缺陷的現(xiàn)象出現(xiàn)。在穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)的研究過程中，研究人員還發(fā)現(xiàn)，通過多激光束以低功率在粉末上運(yùn)行，將顆粒融合在一起的金屬粉末預(yù)燒結(jié)方式，可以幫助減少飛濺并*大程度地減少出現(xiàn)大飛濺的“雪球效應(yīng)”。這種激光掃描策略將提高整體零件的可靠性，并有助于粉末床激光熔化增材制造技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

論文的主要作者LLNL計(jì)算物理學(xué)家Saad Khairallah 表示，“飛濺是制造精美零件的敵人”，但利好的是，穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)-“功率地圖（power map）” 可以基于可控功率圖來調(diào)整掃描策略，從而防止較大的后向散射。

研究團(tuán)隊(duì)在LLNL多物理場仿真代碼ALE3D 基礎(chǔ)上開發(fā)了新功能，創(chuàng)建能夠模擬溫度、速度與激光/熔池相互作用的其他方面的高分辨率模型。ALE3D 能夠捕獲激光射線對(duì)排出顆粒的影響，以及其他可能產(chǎn)生3D打印缺陷的動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象。

研究小組發(fā)現(xiàn)，對(duì)打印的影響強(qiáng)度取決于激光直徑和功率的某個(gè)閾值。高激光功率有助于驅(qū)散可能會(huì)阻塞激光的飛濺物，但如果激光功率上升得太快或太高，則會(huì)分別產(chǎn)生較大的后飛濺物和小孔。此時(shí)，“功率地圖”可以對(duì)功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，找到一個(gè)*佳點(diǎn)，保持熔池穩(wěn)定，排出遮蔽激光的飛濺物，并防止飛濺物變得太大。借助“功率地圖”，增材制造生產(chǎn)人員可以設(shè)置新的掃描策略，或保持現(xiàn)有掃描策略的穩(wěn)定性，防止出現(xiàn)毛孔和缺陷。

未來，這一仿真技術(shù)可以被用于任何激光掃描策略，找出需要在掃描軌道上使用的*佳功率。例如在制造螺旋狀點(diǎn)陣等復(fù)雜幾何形狀時(shí)，可以得到如何在這些不能很快散熱的瓶頸區(qū)域調(diào)整功率。

為了驗(yàn)證仿真效果，研究人員將仿真結(jié)果與打印中實(shí)際捕獲到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，打印捕獲的數(shù)據(jù)包括：阿貢國家實(shí)驗(yàn)室同步加速器在原位（in-situ）條件下記錄的超快X射線成像數(shù)據(jù)與LLNL實(shí)驗(yàn)室所捕獲的高速光學(xué)圖像。原位超快X射線成像技術(shù)能夠同時(shí)探測金屬表面和亞表面，同時(shí)還能夠跟蹤激光引起的結(jié)構(gòu)變化的快速動(dòng)態(tài)。同步加速器相關(guān)負(fù)責(zé)人表示，X射線成像得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可用于觀察ALE3D仿真技術(shù)中預(yù)測的飛濺形成和遮蔽現(xiàn)象。

使用ALE3D對(duì)熱歷史和流體動(dòng)力學(xué)進(jìn)行高保真建模，構(gòu)成了增材制造材料的“數(shù)字孿生”表示法的基礎(chǔ)。通過經(jīng)驗(yàn)證的模型對(duì)金屬3D打印系統(tǒng)的能量輸入進(jìn)行本地控制，不僅為減少缺陷提供了途徑，而且還通過微結(jié)構(gòu)工程提供了材料增強(qiáng)的途徑。

根據(jù)LLNL實(shí)驗(yàn)室，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)，可以被商業(yè)法規(guī)所采用，也可以在任何金屬3D打印機(jī)以及其他基于激光、電子束的焊接、熔合技術(shù)中使用。

3D科學(xué)谷Review

LLNL 實(shí)驗(yàn)室的科研人員曾在GE Industry in 3D 脫口秀欄目中與其他增材制造業(yè)內(nèi)人士分享與探討過解決粉末床金屬3D打印質(zhì)量控制的方式。

在那次討論中，他們提出“科學(xué)基礎(chǔ)替代經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)”。除了設(shè)計(jì)、尺寸、速度、價(jià)格…3D打印不能進(jìn)入到主流的一大限制因素是能否制造出合格的零件主要是基于經(jīng)驗(yàn)的。這樣的經(jīng)驗(yàn)探索令人感受到折磨，而經(jīng)驗(yàn)是難以復(fù)制的，這種方式極大的限制了3D打印技術(shù)的廣泛使用。工業(yè)3D打印的下一步是通過科學(xué)方法來替代以經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的探索。

數(shù)字化讓3D打印免除基于經(jīng)驗(yàn)的限制，尤其是在熔池的監(jiān)測領(lǐng)域，數(shù)字化的好處是能夠讀取和利用大量在增材制造中捕獲的數(shù)據(jù)，從而智能化的控制3D打印質(zhì)量。只有通過3D打印可以達(dá)到更高的產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性和一致性，才能真正進(jìn)入到上升曲線。

討論中還談到了前置反饋技術(shù)，該技術(shù)就像3D打印設(shè)備的大腦，“告訴”打印機(jī)如何做避免錯(cuò)誤。利用所能得到的*新信息，進(jìn)行認(rèn)真、反復(fù)的預(yù)測，把計(jì)劃所要達(dá)到的目標(biāo)同預(yù)測相比較，并采取措施修改計(jì)劃，以使預(yù)測與計(jì)劃目標(biāo)相吻合。

LLNL 實(shí)驗(yàn)室如今在智能化的激光掃描策略領(lǐng)域所取得的成果，是建立粉末床激光熔化工藝“智能前饋”的關(guān)鍵組成部分。3D科學(xué)谷期待這類前饋控制技術(shù)逐步加強(qiáng)粉末床激光3D打印設(shè)備實(shí)現(xiàn)智能化創(chuàng)建無缺陷零件的能力，推動(dòng)這一技術(shù)進(jìn)入真正的“上升曲線”。

注釋：

[1] 飛濺即從激光路徑中噴出的顆�；蚍勰╊w粒簇，這些顆�；蝾w粒簇會(huì)落回到零件上，從而可能導(dǎo)致孔形成和缺陷。

[2] 相關(guān)研究成果發(fā)表于*新一期的 Science 雜志中，題目為：Controlling interdependent meso-nanosecond dynamics and defect generation in metal 3D printing。