隨著增材制造的發展 - 通常被稱為3D打印 - 工程師僅受其想象力和他們可以生產的部件的質量的限制。通過用激光加熱塑料或金屬粉末，科學家已經逐層建造了汽車，人行橋甚至人造顎骨。隨著工程師使用鈦和其他金屬合金更有效地開采原材料，這項技術有可能改變制造業，從而降低產品成本和重量，縮短供應鏈。

然而，金屬添加劑制造面臨障礙。印刷材料通常包含結構缺陷，并且與設計不同，迫使工程師修復成品或從頭開始。并非所有過程背后的物理都被很好地理解。該領域的大部分研究涉及試驗和錯誤 - 這是一種昂貴且耗時的創新方式。

為解決這些問題，美國能源部(DOE)阿貢國家實驗室，卡內基梅隆大學和密蘇里科技大學的科學家正在研究整個三維印刷工藝，包括金屬粉末的材料特性以及如何激光“熔化”并將這些粉末塑造成所需的組分，以發現缺陷的形成方式和避免它們的方法。

科學家們最近實時研究了三維打印形成的內部材料，因為激光將金屬粉末模塑成形狀。當激光“打印”金屬部件時，Argonne物理學家Tao Sun和他的合作者通過位于Argonne的DOE科學用戶設施Advanced Photon Source的強烈同步加速器X射線在其內部工作中占據了前排座位。

“激光與金屬的相互作用非常迅速，”孫說。“幸運的是，我們使用高級光子源中的高速X射線儀器以每秒50,000幀的速度拍攝了這個過程。我們可以逐幀研究所得到的電影，以檢查材料的微觀結構，特別是缺陷和毛孔的形成。 “

該團隊表明，他們可以觀察和量化許多金屬3-D印刷特性 - 包括熔池尺寸/形狀，粉末噴射，凝固，孔隙形成和相變。

Sun將與學術界和其他國家實驗室的合作伙伴分享他的結論，他們正在建立可靠地預測印刷材料特性的模型。這些模型還預測了該過程的動態 - 例如激光如何熔化粉末，何時粉末變成氣體和液體等等。

與此同時，Argonne的主要材料科學家和Argonne增材制造項目的聯合負責人Aaron Greco從不同角度對模型進行了改進。“印刷后，我們會檢查產品的微觀結構和缺陷，”Greco說。“我們使用各種技術，包括光學和電子顯微鏡，甚至高級光子源的層析成像，來驗證模型。”

結果是一個良性循環，其中實驗數據被輸入到增材制造模型中，然后通過更精細和有見地的實驗來測試改進的模型。建模者和實驗者之間的這種相互作用對于清楚準確地理解使3D打印真正可靠所需的基礎材料物理學至關重要。

盡管這種循環對于他們對增材制造的基本理解至關重要，但研究人員的雄心壯志進一步擴展。

“我們的目標是探索新的可能性，”格雷科說。“行業目前僅限于某些金屬合金。但新產品如何?如果您了解與如何印刷新合金相關的物理特性，您可以將這些合金用于此過程并加快印刷的可靠性。”

行業也受限于目前定義復雜零件印刷工藝所需的非常詳細的模型。通過將這些模型簡化為影響質量和可靠性的少數元素，團隊希望使模型更快，更適合工業。

最終，Argonne的努力將實現兩全其美：科學家將揭開金屬添加劑制造的動態奧秘，而行業將通過藍圖茁壯成長，以快速打印出具有成本效益和可靠的產品。

“我們的工作不僅有助于工業提高效率和性能，還可以提高金屬 添加劑制造在其他應用中更廣泛采用的可能性，”Greco說。

Sun的研究報告發表在科學報告文章“使用高速X射線成像和衍射實時監測激光粉末床融合過程”。實驗在Advanced Photon Source的32-ID-B光束線上進行。