研究人员在 威斯康星大学麦迪逊分校 开发了一种创新方法，可同时最大限度地减少激光粉末床熔融 (LPBF) 生产的金属零件中的三种常见缺陷类型。这种增材制造工艺特别适合生产具有复杂几何形状的部件，但孔隙、粗糙表面和飞溅等缺陷构成了挑战。这些缺陷会损害组件的可靠性并限制其在关键应用中的使用。
在陈连一教授的领导下，研究小组研究了这些缺陷背后的机制，并确定了能够显着减少缺陷的工艺条件。与通常的高斯光束相反，使用 nLight 提供的环形激光束发挥了核心作用。这种激光形状减少了熔池中的不稳定性，并允许在不影响质量的情况下打印更厚的层。该研究结果于2024年11月16日发表在《国际机床与制造杂志》上。
“以前的研究通常集中于减少一种类型的缺陷，但这需要使用其他技术来减少其余类型的缺陷，”机械工程副教授Lianyi Chen、Kuo K. 和 Cindy F. Wang 说道。 “根据我们发现的机制，我们开发了一种方法，可以一次性消除所有缺陷——孔隙、粗糙表面和大飞溅。此外，我们的方法使我们能够更快地生产零件，而不会影响质量。”
为了更好地了解这一过程，研究人员进行了高分辨率的“原位”实验。利用阿贡国家实验室先进光子源拍摄的同步加速器 X 射线图像，他们能够分析熔池的动态。实验、理论分析和数值模拟的结合表明了如何减少过程中的不稳定性。
结果有可能提高 LPBF 在行业中的接受度。除了提高组件质量外，研究人员还能够通过优化较厚层的工艺来提高生产速度。
“因为我们了解基本机制，所以我们可以更快地确定正确的加工条件，以使用环形梁生产高质量的零件，”陈说。
这项研究由国家科学基金会和威斯康星州校友研究基金会资助。该项目强调了跨学科合作的重要性，其中涉及陈、阿贡国家实验室的研究人员和几名博士生。
