導(dǎo)讀：原位激光金屬3D打印設(shè)備在同步輻射技術(shù)研究匙孔中大放異彩，不斷助力科學(xué)家取得突破。
2025年第二篇增材制造相關(guān)Science頂刊論文，再次聚焦同步輻射技術(shù)研究匙孔
        在增材制造技術(shù)研究中，匙孔效應(yīng)的形成機理與演化規(guī)律一直是制約工藝優(yōu)化和質(zhì)量控制的關(guān)鍵科學(xué)問題。2025年2月英美加中四個國家科研單位使用高速同步輻射X射線成像技術(shù)合作完成的“激光焊接與增材制造過程中匙孔不穩(wěn)定性的磁調(diào)控”的文章發(fā)表在Science雜志上，由倫敦大學(xué)機械工程學(xué)院材料、結(jié)構(gòu)與制造研究組(MSMaH)主導(dǎo)。倫敦大學(xué)學(xué)院(UCL)和哈韋爾研究中心(Research Complex at Harwell)的Xianqiang Fan(范賢強)博士為第一作者。該研究發(fā)現(xiàn)：實驗觀察到特定磁場下匙孔穩(wěn)定性極大提高，孔洞面積減少80%；提出新方法定量化匙孔震蕩并給出了深入的機理解釋；通過無量綱分析給出了加工參數(shù)選取以及材料設(shè)計方面的指導(dǎo)。
      孔洞的產(chǎn)生源于一種稱為“匙孔不穩(wěn)定性”的過程。打印中使用的激光功率可超過200 W，聚焦到約50微米大小的光斑，照射在粉末表面。強烈的加熱導(dǎo)致局部沸騰，形成金屬蒸汽，蒸汽向下推入粉末中，形成一個凹陷區(qū)域，稱為“匙孔”。匙孔并不穩(wěn)定，它以快于1毫秒的速度振蕩。同時激光掃描過程會導(dǎo)致巨大的溫度梯度，范圍從金屬合金的熔化溫度到蒸發(fā)溫度（鋁合金約為3000°C）。液體從低表面張力區(qū)域流向高表面張力區(qū)域，以最小化自由能，該流動通常稱為馬蘭戈尼流動。匙孔后壁上的流動使其比前壁更容易受到波動和坍塌的影響。當(dāng)激光以大約1米/秒的速度掃描粉末床時，強烈的熔體流動會使匙孔形成“J”形，而“J”形的下部突起可能會斷裂并形成氣泡，最終成為零件中的孔隙。研究團隊發(fā)現(xiàn)，如果磁場的方向與激光移動的方向垂直，熔池中引入的洛倫茲力足以改變流動，從而抑制匙孔振蕩，鎖孔不再是“J”形，而是呈“I”形，并且不會斷裂形成孔隙。正確施加磁場后，孔隙面積減少了80%以上，且剩余的孔隙更小。
 

然而，施加磁場會同時激活電磁阻尼（EMD）和熱電洛倫茲力，后者驅(qū)動的流動稱為熱電磁流體（TEMHD）。這項研究解決了一個長期存在的爭議，即哪種機制（EMD或TEMHD）負(fù)責(zé)穩(wěn)定匙孔，由于增材制造過程的微小熔池尺度，研究證明TEMHD效應(yīng)起了主導(dǎo)作用。為了觀察這一過程，研究人員使用了APS的32-ID光束線，這是唯一能夠提供足夠通量以滿足所需成像速率的X射線源。為了捕捉發(fā)生在1毫秒內(nèi)的匙孔振蕩，必須以每秒超過10萬幀的速度獲取圖像。團隊在光束線上改裝了一臺定制的3D打印機，設(shè)置了一個可以在激光下快速移動的樣品床，并填充了AlSi10Mg粉末，這是一種由鋁、硅和鎂組成的輕質(zhì)合金，其中高硅含量為系統(tǒng)增加了類似半導(dǎo)體的特性。研究人員開發(fā)了一系列的圖像處理方法，提出了基于圖像處理的定量化匙孔震蕩的新方法。
 

云耀深維光源系列設(shè)備
為實現(xiàn)高速同步輻射技術(shù)對增材制造過程中匙孔動態(tài)行為的原位觀測，國內(nèi)外學(xué)者與研究團隊正致力于開發(fā)專用的3D打印實驗裝置。這類設(shè)備需要滿足以下核心要求：（1）與同步輻射光源兼容的開放式結(jié)構(gòu)設(shè)計；（2）耐高溫觀測窗口與精密運動控制系統(tǒng)；（3）毫秒級時間分辨率與微米級空間分辨率的協(xié)同實現(xiàn)；（4）多物理場（溫度場/流場/應(yīng)力場）同步監(jiān)測能力；（5）完成透射、衍射等不同角度的觀測需求。

針對以上高速同步輻射X射線成像增材制造相關(guān)研究的特殊需求，云耀深維整合跨學(xué)科技術(shù)優(yōu)勢，成功開發(fā)出第二代同步輻射兼容型金屬增材制造原位觀測設(shè)備（型號：PHOTON-40），該設(shè)備主要優(yōu)勢：

完整SLM系統(tǒng)，原位研究定制

• 同步輻射下實現(xiàn)打印真實過程（多層鋪粉系統(tǒng)、刮粉裝置、風(fēng)場、Z軸運動裝置等）

• 透射、衍射需求靈活滿足-可傾斜打印，適配多種角度

• 超高溫預(yù)熱-500/700度高溫可選

• 深度開放參數(shù)-打印過程實時調(diào)整

• 一機多用：可隨時更換為常規(guī)打印系統(tǒng)；

云耀深維自主研發(fā)的光源40設(shè)備為同步輻射原位研究定制，配置完整的全套SLM系統(tǒng)（多層鋪粉系統(tǒng)、刮粉裝置、風(fēng)場、Z軸運動裝置、500/700度高溫預(yù)熱等），完成上百層至數(shù)千層的真實鋪粉及打印，助力研發(fā)人員在真實的金屬打印過程中完成更精確的數(shù)據(jù)收集。同時光源系列更配置了靈活的高度調(diào)節(jié)及角度旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，還可以傾斜打印，可以同時滿足透射及衍射實驗的需求。助力科研團隊使用同步輻射原位技術(shù)探索增材制造微尺度形性演變機理，監(jiān)測打印過程中的熔池及晶體結(jié)構(gòu)變化，實現(xiàn)原位表征與分析。

不僅如此，光源系列更配置了獨立的能完成常規(guī)金屬打印的打印腔室，成型空間為∅60xH80mm，客戶可一機多用，隨時更換為常規(guī)打印腔室，滿足各種力學(xué)性能試樣及小型部件的打印需求。為更好地滿足研發(fā)需求，該系列還配置了開放的工藝參數(shù)系統(tǒng)，使用戶可自由選擇及調(diào)節(jié)激光的路徑規(guī)劃，打印策略，掃描參數(shù)等工藝參數(shù)。用戶可自行建立cli文件，自定義輪廓與不同類別填充的掃描參數(shù)及路徑策略，自由設(shè)置出光延時，掃描延時，增旋轉(zhuǎn)角度，隨機掃描策略等。
 

交付報告
云耀深維為客戶在上海同步輻射光源（SSRF）站點原位研究定制的光源40設(shè)備順利交付。該光源型號配備了完整的全套SLM系統(tǒng)的同時更配置了獨立的能完成常規(guī)金屬打印的打印腔室，成型空間為∅60xH80mm，其優(yōu)異的設(shè)計及卓越的性能得到了客戶的高度肯定。
 

原位其他相關(guān)研究
2020年11月27日，清華大學(xué)機械工程系助理教授趙滄作為獨立第一作者和共同通訊作者在Science（《科學(xué)》）上以“Critical instability at moving keyhole tip generates porosity in laser melting”（激光加熱中匙孔根部的臨界失穩(wěn)產(chǎn)生氣泡缺陷）為題發(fā)表了關(guān)于金屬激光3D打印的最新成果。該項研究起于宏觀工藝，立于微觀細(xì)節(jié)。宏觀層面上，在激光功率-掃描速率空間中，匙孔氣泡缺陷區(qū)域的邊界清晰而平滑，且受金屬粉末加入的影響甚微。在微觀層面上，這些氣泡缺陷的形成與匙孔根部的臨界失穩(wěn)有關(guān)；后者可以在熔池中釋放出聲波（沖擊波），進而驅(qū)動氣泡快速遠離匙孔、并被凝固前端捕捉。
 

資料來源：機械工程系助理教授趙滄及其合作者在《科學(xué)》發(fā)表論文揭示金屬3D打印中匙孔氣泡缺陷的起源-清華大學(xué)機械工程系

(責(zé)任編輯：admin)

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