这个模拟显示了激光与熔池以及大量金属粉末颗粒同时相互作用。在这个实验中，激光功率超过了一个阈值，从而将溅射物从扫描轨道上赶走。这防止了由于“激光遮蔽”而形成的缺陷，其中熔化的金属粉末可以阻挡或遮蔽激光。信贷:LLNL
劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的研究人员将高保真计算机模拟与超高速x射线成像相结合，发现了一种通过常见的、基于激光的金属3d打印工艺来减少甚至消除零件缺陷的策略。
在今天(2020年5月8日)发表在《科学》杂志上的工作中，LLNL的一个研究团队和空军研究实验室的合作者，揭示了涉及激光粉末床融合增材制造(LPBF-AM)过程的未知动力学，该过程使用激光束逐层熔化金属粉末，形成3D零件。这些新发现的机制会产生“飞溅”——从激光路径中喷射出来的颗粒或粉末颗粒簇，可能会落在部件上——可能导致孔隙形成和缺陷。
为了更好地理解这些激光溅射的相互作用，以及验证通过LPBF-AM打印的部件的更广泛的问题，LLNL的研究人员使用计算机模型来创建这个过程的“数字双胞胎”，他们用来在微观尺度上进行虚拟的构建实验。通过将模拟结果与LPBF-AM条件下使用高速x射线和光学成像获得的实验数据进行比较，研究人员开发了一种稳定性准则，从而得到了“功率图”。功率图是一种扫描策略，沿着激光轨道调整激光的功率输出，以稳定熔池，是建立“智能前馈”的关键组成部分，这是由LLNL支持的设计过程，将先进的建模和仿真与实验分析相结合，以教会3D打印机有效地创建无缺陷的零部件。
研究人员发现，当使用稳定准则时，可以减少或完全消除气孔、锁孔(深而窄的熔池)和其他可能导致缺陷的表面以下现象的出现。此外，他们还发现，预先烧结金属粉末——在粉末上使用低功率的多束激光，在制造之前将粒子融合在一起——也有助于减少飞溅和最小化“滚雪球效应”，即在粉末床上出现大的飞溅，并变得难以消除。研究人员表示，该战略将提高整体部件的可靠性，并有助于增材制造技术的广泛应用。
“飞溅是打造漂亮部件的大敌;这不仅仅是小颗粒四处飞行，它们可以创建一个不同类型的飞溅系统，可以以不同的方式和场景影响构建，”该论文的主要作者、LLNL计算物理学家Saad Khairallah说。“人们不能天真地打开激光开始扫描，因为扫描策略可能会在轨道开始时产生飞溅，超出大小阈值，这对构建非常不利。好消息是，通过使用我们在论文中描述的稳定性标准，他们可以根据控制的功率图修改扫描策略，以防止大规模的反向飞溅。”
LPBF-AM是最流行的金属3D打印工艺，它使用激光束扫描由微观金属粉末构成的平面上的二维图案，形成与下层融合的熔化轨迹，重复该工艺数千次，从而产生一个3D物体。尽管表面上很简单，但这一工艺仍面临着广泛采用的挑战，这在很大程度上是由于“可变性”问题，即使用相同的3D打印机，使用相同的粉末和参数，可以产生不同质量的零件。
Khairallah说，单独来看，实验不能完全解释这一过程背后的动力学过程，因为它们通常缺乏所需的空间和时间分辨率，也不能解释实验观察到的高动态和瞬态LPBF-AM事件，这需要先进的建模。Khairallah说，通过高保真多物理模拟来补充实验，将使研究人员能够以非常高的速度捕捉熔池中粉末床层及以下发生的情况，这为解决变化性问题和改进零件认证过程提供了不可或缺的工具。
为了创建能够模拟温度、速度和激光/熔池相互作用的其他方面的高分辨率模型，Khairallah在一个名为ALE3D的LLNL多物理模拟代码中开发了新的能力，以捕捉激光射线对粒子驱逐的影响和其他产生缺陷的动力学，如“激光阴影”，熔化的金属粉末可以阻挡或遮蔽激光。
通过将模拟结果与真实实验进行比较，该团队得出结论，阴影会导致熔池深度突然下降，从而在熔池中产生气孔——飞溅越大，产生的阴影越多。他们还发现了一种“自我复制”的现象，即激光击中一个大的溅射点(溅射点位于粉末床上)并将其劈开，导致额外的溅射点分散在粉末床上并产生滚雪球效应。
该团队发现，对构建的影响强度取决于激光直径和功率的某个阈值。Khairallah说，高激光功率有助于驱逐可能阻碍激光的飞溅物，但如果激光功率上升过快，或太高，就会分别产生较大的背面飞溅物和锁孔。研究人员设计的功率图沿着轨道动态调整功率，找到一个“甜点”，可以保持熔池的稳定，排出阻挡或遮蔽激光的飞溅，并可以防止飞溅过大。
Khairallah说:“有了我们的地图，你可以设计新的扫描策略或调整现有的策略，以保持稳定，防止毛孔和缺陷。”“未来，人们可以利用这个模拟模型，运行任何扫描策略，并计算出扫描轨道上所需的最佳功率。如果你做的是螺旋形或复杂几何形状，热量不会很快消散，它会告诉你如何调整这些瓶颈区域的功率。”
为了验证模拟结果，研究人员将其与阿贡国家实验室先进光子源同步加速器在原位条件下记录的超快x射线成像数据和在LLNL捕获的高速光学图像进行了比较。
“x射线诊断提供了唯一的技术，可以同时探测金属的表面和次表面，同时还提供保真度，跟踪激光诱导的结构变化的快速动态，”合著者艾登·马丁(Aiden Martin)说，他是同步加速器实验的技术负责人。“x射线成像的使用使我们能够在实验中观察到在ALE3D模拟中探索的飞溅形成和阴影现象。”
同步辐射x射线成像能力是由实验室指导研究与发展(LDRD)项目下开发的实验测试平台和现有的LLNL超快探测器阵列提供的，它们共同实现了探测地下LPBF-AM现象的前所未有的时间和空间分辨率。
x射线研究的首席研究员乔纳森·李(Jonathan Lee)说:“这个项目的一个令人兴奋的突破是，它能够在模拟等效激光-金属相互作用的时间和长度尺度上收集数据。”“LLNL实验和建模工作之间的协同作用对于发展对多种LPBF-AM现象的新理解是无价的。”
Khairallah说，缺陷背后复杂和非线性的瞬态物理需要成熟的代码来模拟复杂的事件。研究人员表示，该团队开发的标准可以被商业规范采用，并可以应用于任何金属3D打印机，也可以应用于激光或基于光束的焊接或熔合技术。
使用ALE3D对热历史和流体力学进行高保真建模，形成了AM材料“数字孪生”表示的基础，这是ldrd资助的旨在控制凝固组织和力学性能的战略计划的主要主题之一。
战略倡议LDRD的首席研究员Manyalibo“Ibo”Matthews说:“使用经过验证的模型对系统的能量输入进行局部控制，不仅可以缓解缺陷，还可以通过微结构工程增强材料。”他同时也是实验室增材金属加速认证项目的项目负责人。
这项最新的工作也是在LDRD的资助下进行的。LLNL的合著者包括Gabe Guss, Nicholas Calta, Joshua Hammons, Michael Nielsen, Trevor Willey, Alexander Rubenchik, Andy Anderson, Morris Wang, Matthews和Wayne King。外部合作者包括美国空军研究实验室的凯文·查普特、埃德温·施瓦尔巴赫、梅格娜·沙阿和迈克尔·查普曼。LLNL的查德·诺布尔(Chad Noble)是这项工作中使用的ALE3D程序的小组负责人。
