西北大学和阿贡国家实验室用X射线检测定向能沉积

来源：增材之光

虽然通过3D打印生成的结构可能是迷人的、有形且极具启发性，更不用说实际上的实用性。仍然会发现，技术背后的操作过程有点令人生畏，因为似乎不可能通过一些丝材、软件和硬件来实现。可能还会惊讶地发现，即使是非常习惯3D打印的研究人员也可能对某些内部过程中发生的事情一无所知，特别是在使用激光/粉末组合时。

为了进一步了解，一个由西北大学和阿贡国家实验室联合起来的研究团队开始研究3D打印期间发生的事情，而不是之后，在“压电驱动定向能沉积增材制造的现场高速X射线成像”中发表他们的研究结果。作者指出，从历史角度来看，以细微的细节监控内部流程一直是一项挑战。中断过程可能对最终产品有害。虽然我们已经跟踪了许多研究人员分析3D打印和独特材料的不同实例，同时努力在AM中找到改进的策略，但这项研究显然有不同的侧重点：

研究人员表示：“对先进制造工艺进行监控，以评估热历史、结构和性能的变化，对于了解工艺过程中发生的物理现象和AM中内置性能的闭环控制至关重要。”

定向能沉积依赖于加热的粉末颗粒，熔化以形成结构层。这种制造方法越来越受欢迎，特别是在快速原型制造和部件维护方面。优点包括更快和更好地固化打印物体，以及材料类型和使用的灵活性。

“然而，由于粉末沉积的复杂性及其在DED中的相互作用，监测单个颗粒对熔池的影响以及由此产生的结构具有挑战性。”研究人员表示，“在这项研究中，低成本的压电驱动粉末输送系统用于沉积单个颗粒，因为它们与移动的激光束相互作用，这是一种利用高速X射线成像来捕捉在电致发光期间激光物质相互作用的基本物理现象的方法。

虽然压电技术对许多人来说是个新的术语，但它涉及在压力或其他作用下释放电荷。我们在今年早些时候进行了一项关于压电材料的研究，关于它们在开发各种不同传感器和智能材料的3D打印方面的潜力。在这项最近的研究中，研究人员对利用X射线研究压电定向能感兴趣，以了解更多关于激光和粉末在3D打印过程中如何相互作用的信息。

在这次实验中，该团队设计了一个密封腔室，包括压电驱动系统和所需的氩气。

“触发序列始于粉末输送系统中压电元件的致动，来自压电元件的信号开启激光器。 来自激光器的“开启”信号通过移动振镜扫描仪反射镜开始激光扫描，“研究人员对观察系统进行了陈述。“当电流计反射镜处于使激光束与压电驱动的粉末输送系统对齐的特定位置时，X射线快门打开，允许X射线光束进入腔室。”

压电振动使粉末流入激光和X射线束排列的区域。通过控制压电振动的频率和功率来建立用于控制流速的特定参数。跟踪和评估任何孔隙度，以及溅射和相关的颗粒喷射。 进行此类成像实验的最终希望是更多地了解DED工艺和所涉及的材料。

“在各种DED处理模式下显示激光物质相互作用的高速X射线图像可以帮助验证热、热流体动力学和热力学模型。”研究人员表示，“在重力作用下，粉末质量流量较低，激光诱导的蒸汽羽流将颗粒从熔池中散射出来，速度高达10米/秒。”

研究人员指出，大多数传感器无法提供足够的数据，并且不具备显示DED快速冷却过程所需的分辨率。在这项研究中，他们能够找出孔隙度背后的一些原因，但指出需要更多的研究来理解粒子夹带。

控制单个粒子相对于激光束的轨迹，可以得出关于粒子如何进入熔池的更确切的观察结果。这项工作揭示了惰性载气辅助颗粒流动的必要性。如果没有载气，大多数粒子会从熔池中散开，而载气则允许粒子穿透激光诱导的蒸汽等离子体羽流。

“研究载气压力和速度影响的未来工作需要捕捉更具代表性的DED处理中的现象。耦合高分辨率热监测也有助于进一步了解冷却，更具体地说，还有助于了解熔池的凝固行为。”

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