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集成X射線、熱成像、可見光等技術，威斯康星大學研究電子束金屬3D打印力學

2022-04-21

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

△Luis Izet Escano使用團隊開發的設備研究3D打印制造的金屬零件結構。圖片來IZET ESCANO

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

預防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導的威斯康星大學麥迪遜分校機械工程師團隊開創了一個新系統，允許他們使用同步加速器X射線實時觀察各個打印流程，包括正在打印的部件內部等。

“電子束金屬3D打印技術，目前發展速度非常快，”陳連毅說。“這是制造航空航天零件的一項重要技術——例如，可用于制造噴氣發動機的鋁化鈦零件。目前其他的3D打印技術還無法制造這些。”

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，以自下而上構建零件。雖然這個過程聽起來很簡單，但該技術還處于早期階段，還有很多問題需要研究。比如隱藏在金屬層中的缺陷，隨時可能會在沒有預兆的情況下導致故障。

△威斯康星大學麥迪遜分校機械工程師團隊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生了什么——形成缺陷的機制是什么，”陳說。“通過對打印流程的更深入了解，我們可以持續改進此技術，將質量提升到更高的水平。”

該團隊于2022年1月初，成功在阿貢國家實驗室的高級光子源上完成測試。該光子源使用粒子加速器產生超亮、高能X射線，以便用于嚴苛的科學研究。

威斯康辛大學的系統結合了同步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工作時，以前所未有的細節觀察材料隱藏的內部是如何工作的。熱成像相機可以讓他們研究工藝過程中監控溫度的變化，而可見光相機可以讓他們研究零件表面結構的變化。

“這項技術非常令人著迷，”該小組的機械工程研究生Luis Izet Escano說。“只需在我們的機器上運行一次，我們就能同時看到打印過程的多個關鍵點。”

△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，有效曝光時間為100 ps。在圖像中，定量測量了熔體池和汽壓形態、凝固速率、熔體流動速度和粒子濺射速度。還揭示了不同缺陷的產生機制。圖片來IZET ESCANO

該團隊克服了在研究電子束粉末床融合過程遇到的幾個關鍵技術難題。例如，保持了過程所需的高真空，減輕了測量中真空泵的振動，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，該技術不僅是世界上第一個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。

“系統的開發和集成一直是一個巨大的挑戰，因為它需要多個工程領域的專業知識，”Escano說。“現在，我們機器的靈活性使我們能夠非常快速地進行實驗和收集數據——這將加速我們對這種3D打印技術的基本理解和研究。”

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