SLM選區(qū)激光粉末床熔化（或稱(chēng)LPBF）是一種3D打印技術(shù)，可以打印具有復(fù)雜幾何形狀的金屬零件，而不受傳統(tǒng)制造技術(shù)的設(shè)計(jì)限制。然而，通過(guò)LPBF 3D打印的部件通常比常規(guī)方法制造的零部件含有更多的孔隙，這幾乎是SLM技術(shù)頗為人詬病的主要原因。

      近日，阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家們的論文，激光相互作用區(qū)域中由高溫梯度引起的高熱毛細(xì)管力可以克服熔體流動(dòng)引起的阻力，從而在LPBF過(guò)程中快速消除熔池中的孔隙。通過(guò)調(diào)整3D打印方法，來(lái)實(shí)現(xiàn)熱毛細(xì)力驅(qū)動(dòng)的孔隙消除機(jī)制，獲得無(wú)孔隙的3D打印金屬零件。

SLM金屬3D打印

可以控制的毛孔

        Nature Communications 2019年7月12日發(fā)表了阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的解決方案，通過(guò)結(jié)合原位高速高分辨率同步加速器X射線(xiàn)成像實(shí)驗(yàn)和多物理場(chǎng)建模，科學(xué)家們揭示了LPBF過(guò)程中孔隙運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力學(xué)機(jī)制。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，由激光相互作用區(qū)域中的高溫梯度引起的高熱毛細(xì)管可以在LPBF過(guò)程中快速消除熔池中的孔隙。

       在LPBF過(guò)程中揭示熔池中孔隙演化和消除的動(dòng)力學(xué)機(jī)制可以獲得具有非常低或零孔隙率的3D打印零部件。然而，由于孔的小尺寸和高速度以及金屬的不透明性質(zhì)，在原位和實(shí)時(shí)探測(cè)這些微孔的運(yùn)動(dòng)是非常具有挑戰(zhàn)性的。之前，科學(xué)家們嘗試使用X射線(xiàn)成像來(lái)可視化孔隙運(yùn)動(dòng)，取得了一定程度的成功。但是，實(shí)驗(yàn)室的同步加速器設(shè)施所提供的分辨率不足以捕獲這些微孔較快的運(yùn)動(dòng)。

      阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家通過(guò)使用高分辨率（100 ps時(shí)間分辨率和~2μm空間分辨率）的同步輻射高速硬X射線(xiàn)成像技術(shù)，揭示了LPBF過(guò)程中熔池中微孔高度動(dòng)態(tài)的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。通過(guò)互補(bǔ)的多物理場(chǎng)建模，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)孔隙運(yùn)動(dòng)行為受溫度梯度引起的熱毛細(xì)力和熔體流動(dòng)引起的。（熱毛細(xì)力主要是由于流體中存在溫度梯度，導(dǎo)致不同區(qū)域的表面張力不同，從而產(chǎn)生的力。）

LPBF孔隙動(dòng)力學(xué)的原位表征

LPBF加工過(guò)程中孔隙動(dòng)力學(xué)的原位表征-原位高速X射線(xiàn)成像實(shí)驗(yàn)的示意圖

b代表立方體（300μm×200μm×200μm），由X射線(xiàn)計(jì)算機(jī)斷層掃描數(shù)據(jù)重建，顯示增材制造的AlSi10Mg內(nèi)孔隙的大小和分布。

c單脈沖X射線(xiàn)圖像揭示了微孔以及粉末床表面下方的熔池和凹陷區(qū)（激光功率為360 W，掃描速度為1 m s -1，激光束直徑（D 4）σ）100微米。熔池和凹陷區(qū)的邊界用白色虛線(xiàn)表示，激光的位置用紅色箭頭表示。

c中的比例尺為50μm

熔池內(nèi)孔隙運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)

熔池內(nèi)的動(dòng)態(tài)孔隙運(yùn)動(dòng)

a – d X射線(xiàn)圖像顯示LPBF加工過(guò)程中的孔隙動(dòng)態(tài)。（粉末層的厚度為100μm）

e – h X射線(xiàn)圖像顯示裸基板激光熔化過(guò)程中的孔隙動(dòng)力學(xué)。虛線(xiàn)箭頭表示毛孔的未來(lái)軌跡，而實(shí)線(xiàn)箭頭表示毛孔軌跡的歷史。

毛孔在循環(huán)域（a，e）處遵循圓形圖案

而激光相互作用域中的孔移向凹陷區(qū)并從熔池中逸出（d，h）

在過(guò)渡域（b，c，f和g），孔表現(xiàn)出不規(guī)則的移動(dòng)行為，有時(shí)向熔池表面移動(dòng)并逃逸（c，g），有時(shí)在熔池（b，f）中循環(huán)。（激光束直徑（d 4 σ）為100μm，激光功率為360 W，以及掃描速度為1 m s -1。所有比例尺均為50μm)

      SLM選區(qū)激光粉末床熔化（或稱(chēng)LPBF）是一種3D打印技術(shù)，可以打印具有復(fù)雜幾何形狀的金屬零件，而不受傳統(tǒng)制造技術(shù)的設(shè)計(jì)限制。然而，通過(guò)LPBF 3D打印的部件通常比常規(guī)方法制造的零部件含有更多的孔隙，這幾乎是SLM技術(shù)頗為人詬病的主要原因。