科学家利用X射线研究金属3D打印产生缺陷的原因

SLAC国家加速器实验室正在研究如何避免金属3D打印零件的缺陷。其X射线观察过程可以产生更可靠的3D打印部件。

无论您的3D打印机是在家里、工厂、船上，还是在太空中，您总是希望您的3D打印物尽可能出现少的缺陷，无论是为了审美目的，还是为了确保其功能关键部分。然而，有时候，识别缺陷的原因可能很困难：是3D打印材料还是3D打印机本身?也许这个缺陷来自用于构建零件的CAD 3D模型?

SLAC国家加速器实验室的科学家们同样好奇，为什么3D打印部件(特别是金属3D打印部件)容易出现缺陷，所以他们使用装有X射线的观察台来更好地理解使3D打印出错的原因。科学家们认为这项研究可以使各种3D打印产品制造商受益，例如航空航天、汽车和医疗保健等行业。

这项研究正在实验室的斯坦福同步辐射光源(SSRL)上进行，并得到美国能源部劳伦斯利弗莫尔国家实验室和艾姆斯实验室的科学家的协助。这些科学家一起使用两种X射线方法来观察金属3D打印过程中发生了什么-这是一项令人难以置信的有用的技术，但尚未完善。

SLAC工作人员兼项目负责人Johanna Nelson Weker表示：“借助3D打印技术，您可以制作具有复杂几何形状的部件，这些部件不能像普通金属部件那样进行铸造。从理论上说，这可以是一个快速的转变：简单地设计、发送、从远程位置打印。但是我们还没有。我们仍然需要弄清楚所有参与制造坚固零件的参数。”

 
读者可能非常清楚FDM 3D打印机可能出现的各种缺陷，但是金属3D打印机存在自身的一系列问题。例如，在选择性激光熔化(SLM)过程中，熔化激光束过程在金属冷却和硬化时不均匀地产生坑或弱点，同时建立层。但为什么会发生呢，怎样才能避免呢?

在这些研究过程中，SLAC科学家们正试图深入这个增材制造问题的底部，分析所使用的金属的种类，激光的热量水平，金属加热和冷却的速度以及可能会导致3D打印部件缺陷的其他因素。
SSRL材料科学部门的科学家Chris Tassone评论说：“我们提供的基础物理研究将帮助我们确定金属3D打印的哪些方面非常重要。”

科学家们认为，使用X射线而不是热成像装置可以揭开矿坑形成的秘密。他们正在使用两种不同的X射线技术，一种是捕获微米分辨率图像，当金属层积聚时会发生什么，另一种是从材料中的原子反射X射线来分析其原子结构，然后冷却。

目前，研究人员Nelson Weker和Tassone、Kevin Stone、Anthony Fong、Andrew Kiss、Vivek Thampy还没有得到任何明确的答案，但他们相信新的X射线设置可以帮助了解金属3D打印形成坑和弱点的原因。该研究还将用于观察其他种类的金属3D打印，包括定向能量沉积。

随着研究的不断深入，科学家们还计划在这个过程中引入其他的观测工具，包括一个可以收集制造过程照片和录像的高速摄像机。然后，他们将能够在某些点将他们的图像与他们的X射线数据相匹配，以便更全面地了解金属3D打印部件正在发生的事情。

Nelson Weker解释说：“我们希望制造商能够将他们在相机上看到的东西与我们在这里测量的东西联系起来，以便他们能够推断出金属材料表面下发生了什么。”