美国密苏里科技大学丨高速X射线成像揭示增材制造过程的粉末扩散动力学

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前言

在基于粉末床的增材制造工艺中，粉末以薄层散布，然后通过热源选择性地熔化/烧结或通过液体粘合剂选择性地结合在一起以形成零件。众所周知，粉末床的质量是影响所制造零件质量的主要因素之一。例如，在粉末床熔合过程中，已经证明提高粉末床密度和均匀性可以减少熔化缺陷（如剥落和孔隙率），并提高零件的最终质量。因此，为了准确预测粉末床质量，研究和了解铺展过程非常重要。

雪崩测试仪器和流变仪已用于研究粉末流动性。然而，雪崩测试仪器和流变仪中的粉末流动环境与增材制造中的条件有很大不同。由于粉末流动行为很大程度上取决于周围条件，因此研究和了解粉末在增材制造条件下的流动行为非常重要。

研究人员已经开发了连续模型来模拟和研究传播过程。将粉末视为承受剪切应力的连续非致密材料，类似于在铺展过程中发现的那些，可以深入了解影响粉末的外力。在此假设下，研究了层厚、辊子几何形状和初始粉末特性对压实粉末相对密度的影响。然而，由于粉末不是与环境相互作用的连续材料（而是相互作用的单个元素的集合），因此对粉末偏析和粉末床表面粗糙度的预测需要在颗粒尺度上进行研究。

离散元法（DEM）已成为计算研究粒子尺度扩散过程的主要工具。采用DEM研究了铺展速度、涂布机类型和粉末粒度分布对粉末床表面粗糙度和压实度的影响。最近的模拟工作使用实验测量的粉末尺寸/形状分布作为模拟的输入，这提高了DEM模型的准确性。DEM结果表明，粉末床中的缺陷（空隙、表面粗糙度、厚度不均匀）会导致最终制造的零件出现缺陷（表面粗糙度和孔隙率）。

在当前状态下，开发的DEM模型基于许多与控制粉末动态和机械行为的机械性能相关的物理假设。增材制造条件下粉末扩散过程的粒子尺度动力学的实验表征对于验证DEM模型和揭示基于粉末床的增材制造过程中的粉末扩散行为至关重要。然而，由于金属对可见光和微尺度相互作用缺乏透明度，这对金属来说非常具有挑战性。最近，有研究人员使用可见光相机测量粉末扩散过程中的动态休止角。然而，由于传统表征工具的分辨率和穿透深度有限，颗粒级粉末扩散的动力学并未揭示。

最近，美国密苏里科技大学的研究人员已经证明，高能X射线成像可以穿透金属来研究金属增材制造过程中的粉末飞溅、熔化和孔隙演化，这表明X射线成像可以研究粉末扩散过程的强大工具。研究人员开发了一种基于高速高能X射线成像的实验方法，以高时空分辨率表征粉末扩散过程，并在原位研究粒子尺度扩散过程。通过这种新开发的实验方法，揭示了粉末扩散过程中休止角、坡面流速和坡面粗糙度的演变，观察并分析了坡面上两种不同类型粉末团簇的演变和流动，并仔细检查了形成这种团簇的颗粒。相关研究结论以 “Revealing particle-scale powder spreading dynamics in powderbed-based additive manufacturing process by high-speed x-ray imaging” 为题发表在《Scientific Reports》期刊上。

论文链接:

https://doi.org/10.1038/s41598-018-33376-0

试验方法

高速高分辨率高能X射线成像用于克服常规表征工具研究粒子级粉末扩散动力学的局限性。开发了一种用于原位X射线成像实验的粉末扩散系统，以模拟增材制造配置下的扩散过程，如图1a所示。

图1 316L 不锈钢粉末的实验装置和粒度分布示意图

试验结果分析

动态休止角、动态坡面粗糙度和坡面流速是粉体在铺展过程中流动行为的重要指标。然而，几乎没有关于在具有高时间和空间分辨率的增材制造配置下测量这些参数的实验工作的报道。使用高速高分辨率X射线成像方法（每秒10,000帧），研究人员详细表征了粉末前锋在扩散过程中的动态休止角、坡面粗糙度和坡面流动速度。316 L不锈钢粉末，具有两种不同的粉末尺寸（23µm和67µm）。

图2显示了平均粒径为67 µm和23µm的316L粉末在散布过程中获得的具有代表性的动态X射线图像。可以清楚地观察到每个时刻的休止角和表面粗糙度，休止角由每张图像上的黄线表示。

图2 动态X射线图像显示了在具有两种不同平均粉末直径的316L不锈钢粉末铺展过程中动态休止角“α”的演变。(a-c) 平均直径为67µm的316L不锈钢粉末。(d-f) 316L不锈钢粉末，平均直径为23µm

图3显示了两种粉末的休止角随时间的演变。67µm粉末的休止角在34°和37°范围内波动，平均值为36°，标准偏差为2°。23µm粉末的休止角在41°和48°范围内波动，平均值为45°，标准偏差为4°。动态休止角数据表明，平均粒径较小的粉体具有较大的动态休止角、较大的波动和较大的标准偏差。

图3 在具有两种不同平均粉末直径的316L不锈钢粉末铺展过程中，动态休止角“α”与时间的关系。每种粉末尺寸总共使用了12次测量。每次测量之间有5毫秒的时间间隔。平均直径为67µm的316L不锈钢粉末的平均动态休止角为36°，标准偏差为2°。平均直径为23μm的316L不锈钢粉末表现出较高的平均动态休止角，值为45°，标准偏差为4°

来源：增材制造硕博联盟