作者安德烈·萨勒斯，阿尔贡国家实验室 这张在APS拍摄的x光照片显示，在添加剂制造过程中，激光熔化了铝
在激光的左边，你可以看到在加工过程中产生的小孔，随着时间的推移，这些小孔会在成品中产生缺陷
信用:孙韬 在先进光子源(APS)进行的新研究表明，没有削弱其结构完整性的孔的金属部件的三维打印不仅是可能的，而且不需要额外的设备来实现
加法制造的最大优势是便于制造几何形状复杂的零件
需要为飞机快速设计和制造新的发动机部件？启动三维打印机并制作一台
但是这种便利性也带来了一个缺点:3d打印的零件不如那些通过传统制造工艺制作的零件耐用，而且随着时间的推移，在反复的压力下也无法支撑
一组科学家现在可能找到了这个问题的答案
更好的是，他们的关键发现不需要重新设计和更新三维印刷机
研究人员说，这可以用我们现有的技术来完成
添加剂制造，通常被称为三维打印，已经存在了将近40年
这个过程将任何东西的计算机模型转换成完全实现的三维结构，由塑料、金属或其他材料制成
然而，作为这一过程的一部分，微小的孔隙会进入成品，削弱结构的完整性
消除这些三维印刷金属零件上的孔隙是将该技术推向更有用应用的关键
正如任何科学家都会告诉你的那样，解决问题的第一步是好好看看是什么导致了这个问题
研究人员一直在使用先进的光子源
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能源部科学用户设施办公室，位于能源部阿尔贡国家实验室，研究自2015年以来的添加剂制造工艺
APS产生强烈明亮的X射线，可以穿透金属部件，实时拍摄金属粉末成型时的图像
阿尔贡x光科学部门的物理学家卡迈勒·费扎说:“APS提供了一种我们以前看不到的东西的方法。”他负责APS 32-ID-B束线的高速成像项目
“打印完成后，我们不再使用静态样本，而是能够看到打印过程的内部情况
" 这一过程被称为激光粉末床熔化，它包括使用高功率激光熔化和熔化粉末材料在一起
利用APS的激光和粉末装置，一组研究人员记录了熔体池中孔隙的形成和随后的运动——许多孔隙小于人发的宽度
该小组由陈连义和孙韬领导，陈连义以前是密苏里科技大学的，现在是威斯康星大学的；以前是阿尔贡的x光科学部门的，现在是弗吉尼亚大学的
APS允许他们每秒捕捉135，776幅图像，每幅图像持续时间不到1微秒，其结果是有史以来最详细的添加剂制造过程
这段视频是根据美国物理学会拍摄的x光图像制作的，显示了铝的附加制造过程，耗时超过两毫秒
激光产生了一个液态金属池，还产生了微小的孔隙，可以看到它们试图逃离
信用:孙韬 孙说:“美国心理学会最有能力进行这类研究。”
“在实验室的x光源上不可能做到这一点
我们正在探索一个高度动态的过程，APS为我们提供了纳秒级的时间分辨率
" 这个研究小组的发现甚至让他们感到惊讶
在《自然通讯》发表的一篇论文中，该小组描述了作用在熔池孔隙上的三种力:浮力，它应该迫使气体上升并离开熔池区域；熔体流动阻力，它会使气体在熔池内旋转；和热毛细力，驱动孔隙沿着温度梯度移动
在这三种力中，他们发现熔池特定区域的热毛细力对气孔的最终位置影响最大
熔化液态金属产生的阻力是第二大阻力，这意味着这些气穴向上移动并离开熔化区的自然趋势被抵消了
“我们没有预料到这些结果，”陈说
“当激光照射到材料上时，激光相互作用区域中的气孔迅速移出熔池
" 陈解释说，研究小组发现，正是温度梯度引起的热毛细力将气孔拉出来，因此，在三维打印过程中简单地对温度梯度施加更多的控制，就可以将这些气孔移出熔体区域，从而确保最终的金属零件没有气孔
孙说:“这不是人们以前认为的那种力量。”
“但我们可以利用这种力量去除印刷组件中的所有毛孔
" 研究人员说，利用这种技术，在现有的三维打印设备上应该是可能的
控制激光的功率和速度，并针对不同类型的材料进行调整，应该可以让制造商在激光工作时找到合适的条件来形成热力
费扎说，这需要一些反复试验，但不需要额外的设备来消除成品中的毛孔
“这是概念的证明，”费扎说
“三维打印的主要挑战之一是使其像传统制造一样可靠，如果这一概念能够在真正的三维系统中用作有效的工具，这将是添加剂制造业的一个巨大飞跃
"
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