SLM选区激光粉末床熔化（或称LPBF）是一种3D打印技术，可以打印具有复杂几何形状的金属零件，而不受传统制造技术的设计限制。然而，通过LPBF 3D打印的部件通常比常规方法制造的零部件含有更多的孔隙，这几乎是SLM技术颇为人诟病的主要原因。
近日，阿贡国家实验室科学家们的论文，激光相互作用区域中由高温梯度引起的高热毛细管力可以克服熔体流动引起的阻力，从而在LPBF过程中快速消除熔池中的孔隙。通过调整3D打印方法，来实现热毛细力驱动的孔隙消除机制，获得无孔隙的3D打印金属零件。
3D科学谷通过上下两篇文章来详细揭示科学家们开发出这一孔隙消除方法的来龙去脉。
SLM金属3D打印
可以控制的毛孔
Nature Communications 2019年7月12日发表了阿贡国家实验室的解决方案，通过结合原位高速高分辨率同步加速器X射线成像实验和多物理场建模，科学家们揭示了LPBF过程中孔隙运动、动力学机制。科学家发现，由激光相互作用区域中的高温梯度引起的高热毛细管可以在LPBF过程中快速消除熔池中的孔隙。
在LPBF过程中揭示熔池中孔隙演化和消除的动力学机制可以获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属的不透明性质，在原位和实时探测这些微孔的运动是非常具有挑战性的。
之前，科学家们尝试使用X射线成像来可视化孔隙运动，取得了一定程度的成功。但是，实验室的同步加速器设施所提供的分辨率不足以捕获这些微孔较快的运动。
阿贡国家实验室的科学家通过使用高分辨率（100 ps时间分辨率和~2μm空间分辨率）的同步辐射高速硬X射线成像技术，揭示了LPBF过程中熔池中微孔高度动态的复杂运动。通过互补的多物理场建模，科学家发现孔隙运动行为受温度梯度引起的热毛细力和熔体流动引起的。（热毛细力主要是由于流体中存在温度梯度，导致不同区域的表面张力不同，从而产生的力。）
LPBF孔隙动力学的原位表征
LPBF加工过程中孔隙动力学的原位表征-原位高速X射线成像实验的示意图
b代表立方体（300μm×200μm×200μm），由X射线计算机断层扫描数据重建，显示增材制造的AlSi10Mg内孔隙的大小和分布。
c单脉冲X射线图像揭示了微孔以及粉末床表面下方的熔池和凹陷区（激光功率为360 W，扫描速度为1 m s -1，激光束直径（D 4）σ）100微米。熔池和凹陷区的边界用白色虚线表示，激光的位置用红色箭头表示。
c中的比例尺为50μm
熔池内孔隙运动的动力学
熔池内的动态孔隙运动
a – d X射线图像显示LPBF加工过程中的孔隙动态。（粉末层的厚度为100μm）
e – h X射线图像显示裸基板激光熔化过程中的孔隙动力学。虚线箭头表示毛孔的未来轨迹，而实线箭头表示毛孔轨迹的历史。
毛孔在循环域（a，e）处遵循圆形图案
而激光相互作用域中的孔移向凹陷区并从熔池中逸出（d，h）
在过渡域（b，c，f和g），孔表现出不规则的移动行为，有时向熔池表面移动并逃逸（c，g），有时在熔池（b，f）中循环。（激光束直径（d 4 σ）为100μm，激光功率为360 W，以及扫描速度为1 m s -1。所有比例尺均为50μm)
参考资料：Pore elimination mechanisms during 3D printing of metals/Nature Communications volume 10/Article number: 3088 (2019)
关于毛孔运动和消除原理，敬请关注近期将发布的下篇文章。
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