近日，阿貢國家實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家們的論文，激光相互作用區(qū)域中由高溫梯度引起的高熱毛細(xì)管力可以克服熔體流動引起的阻力，從而在LPBF過程中快速消除熔池中的孔隙。通過調(diào)整3D打印方法，來實(shí)現(xiàn)熱毛細(xì)力驅(qū)動的孔隙消除機(jī)制，獲得無孔隙的3D打印金屬零件。

3D科學(xué)谷通過上下兩篇文章來詳細(xì)揭示科學(xué)家們開發(fā)出這一孔隙消除方法的來龍去脈。

成就復(fù)雜零件的SLM金屬3D打印

力之間的相互作用

毛孔運(yùn)動和消除

科學(xué)家們將鎢微粒（1重量％，直徑≤10微米）作為示蹤標(biāo)記包埋在AlSi10Mg粉末中，并根據(jù)不同區(qū)域中鎢微粒的速度量化熔體流動行為。

毛孔運(yùn)動和消除的驅(qū)動力

a – c X射線圖像顯示了示蹤粒子（鎢微粒，用白色虛線圓圈標(biāo)記）的軌跡（用紅色箭頭表示）。（a）循環(huán)域的熔體流動（b）過渡域（c）在LPBF加工過程中激光相互作用熔池中的區(qū)域。

d 顯示了在LPBF加工過程中熔池內(nèi)的溫度梯度，通過激光加工參數(shù)的多物理建模獲得，與原位實(shí)驗(yàn)相同。溫度梯度的大小和方向分別用顏色和黑色箭頭表示。白色箭頭表示溫度梯度從固液界面（熔化前沿）到凹陷區(qū)前壁增加。

e 直徑為10μm的孔的熱毛細(xì)力（F t）與曳力（F d）之比。

在a – c中，激光功率為360 W，掃描速度為1 ms -1粉末層的厚度為100μm。a – c中的比例尺為50μm

激光相互作用區(qū)域中的小孔沿著溫度梯度移動并從熔池中逸出，這進(jìn)一步證實(shí)了熱毛細(xì)力驅(qū)動的孔隙消除機(jī)制。

為了研究熱毛細(xì)管力對整個熔池不同位置的孔隙動力學(xué)的影響，阿貢實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們開發(fā)了一個基于熱毛細(xì)力與曳力之比（F t / F d）的力圖，熱毛細(xì)管力是激光相互作用域中的主導(dǎo)力，驅(qū)動毛孔沿溫度梯度的方向移動，而阻力控制循環(huán)域中的毛孔運(yùn)動。

力的分析

a，b比較：循環(huán)域（a）以及在該工作中研究的孔徑范圍的激光相互作用域（b）中的曳力，浮力和熱毛細(xì)力。

c，d 以孔徑函數(shù)表達(dá)的力?？朔妨Φ母×Φ呐R界孔徑在循環(huán)區(qū)域（c）處為2.5mm，在激光相互作用區(qū)域（d）處為11mm，在循環(huán)區(qū)域?yàn)?.5 mm（c）和激光相互作用域（d）處為470mm 。

    科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)孔移動行為受溫度梯度引起的熱毛細(xì)力和熔體流動引起的阻力的競爭控制。當(dāng)孔的尺寸變大時，浮力將發(fā)揮更重要的作用。而在LPBF加工過程中消除孔隙的主要驅(qū)動力是熱毛細(xì)力，并不是通常認(rèn)為的浮力。

隨著毛孔向凹陷區(qū)移動，加速度增加

a 溫度梯度G 的變化，從熔化前沿（熔化期間的固液界面）到凹陷區(qū)壁。溫度梯度朝向凹陷區(qū)壁增加。

b 通過時間函數(shù)表達(dá)的速度，隨著毛孔向凹陷區(qū)壁移動而加速。

c 隨著毛孔向凹陷區(qū)壁移動，加速度增加。誤差線表示標(biāo)準(zhǔn)偏差（sd）（加工情況：激光功率為310 W，掃描速度為1 m s -1）

孔隙動力學(xué)和消除機(jī)制。示意圖顯示了LPBF加工過程中孔隙運(yùn)動的動力學(xué)和孔隙消除機(jī)制

通過熱毛細(xì)管力消除毛孔

    科學(xué)家們已經(jīng)對AlSi10Mg和Ti6Al4V合金進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。通過兩種合金中的熱毛細(xì)力實(shí)現(xiàn)了孔隙消除，這表明熱毛細(xì)力驅(qū)動的孔隙消除機(jī)制不限于特定的合金系統(tǒng)。

     總之，科學(xué)家們通過協(xié)同結(jié)合復(fù)雜的原位實(shí)驗(yàn)和多物理場建模，找到了一種有效消除金屬3D打印中毛孔的機(jī)制。3D科學(xué)谷期望這里揭示的熱毛細(xì)力驅(qū)動的毛孔消除機(jī)制可以為開發(fā)實(shí)現(xiàn)無孔3D打印的方法開辟途徑，以釋放3D打印技術(shù)的全部潛力。

此外，熱毛細(xì)力驅(qū)動的毛孔消除機(jī)制也對孔隙演化很重要，對溫度梯度的廣泛研究和工程領(lǐng)域有積極的影響，例如激光拋光，激光熔覆，焊接，熔體紡絲，核反應(yīng)反應(yīng)堆和化學(xué)反應(yīng)器的研究。

     名詞解釋：曳力是流體對其中有相對速度的固體施加的力這個力與相對速度方向相反其實(shí)就是相對運(yùn)動阻力,只不過阻力是相互施加的,而曳力是明確指定流體對固體施加的力。對于曳力來說,壓力阻力是其中一部分,還有摩擦阻力的貢獻(xiàn)。