粉末床熔融增材制造 (PBFAM) 是金属3D打印技术的一个子类别，正在迅速成为航空航天、医疗和国防应用的重要工业制造技术。该工艺依赖于厚度约为数十微米的粉末层的连续熔化，可用于生产复杂的、以前无法制造的几何形状。但是，在理解复杂的材料传递和热传递机制方面仍然存在重大挑战，这些机制在加工过程中的许多熔化和再熔化循环中发挥作用。特别是，在加工过程中通常观察到的导致形成喷射物（例如飞溅物）的机制及其对构建质量的影响仍存在争议。
来自美国宾夕法尼亚大学的研究人员使用了3D Systems ProX-320 PBFAM 3D打印设备作为实验机器，用镍合金625粉末作为原料。通过对粉末床熔融过程进行直接、高速的观察，来分类和阐明形成大喷射物的三种机制。
相关研究以“Formation processes for large ejecta and interactions with melt pool formation in powder bed fusion additive manufacturing”为题发表在《Scientific Reports》。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41598-019-41415-7
研究要点
1、研究人员首先观察了从远处喷射的粒子之间的碰撞，其中直径约 88 μm 的熔融喷射物从激光相互作用区排出，并与先前排出的喷射物发生非弹性碰撞。排出的粒子以 1 m/s 的速度移动，直到与静止的直径约为 100 μm的粒子相撞。最终在距离碰撞位置约 0.5 mm处形成了大团块。
图1 从远处喷出的粒子之间的碰撞。黄色虚线圆圈突出显示喷射物，红色⊕符号突出显示激光束的位置，激光和粒子的运动用箭头表示
2、研究人员观察了相邻的、同时排出的喷射物之间的碰撞。三个球形喷射物相对于激光扫描的方向被向后排出。在大约 2.27 ms的时间内，三个颗粒（直径为 102 至 143 μm）相互碰撞并聚结，形成一个直径约为 190 μm的球状聚集体。碰撞后，喷射物形成一个单一的球状团块；这表明它们在碰撞之前和碰撞过程中至少部分熔化。
图2 通过熔融喷出物的三体相互作用形成大团聚体。每个熔融喷出物用黄色五边形、正方形和圆形突出显示
3、研究人员认为羽流也有助于部分烧结的团块的加热、运动和聚结，并在激光上釉过程中观察到。
图3 部分烧结团聚体簇与激光束的相互作用，然后从激光相互作用中排出，最后将团簇熔化并聚结为球形粒子
4、虽然大多数飞溅颗粒不影响熔池几何形状。但是在某些情况下，仍会发生对加工激光的直接干扰。
图4 从激光相互作用区排出一个大的喷出物，该喷出物烧结到下层结构，从而影响了加工过程中形成的熔池几何形状
图5 一个大的喷出物，烧结在下面的结构中，被加入熔池并改变其几何形状
总结
研究人员使用对粉末床融合过程的直接、高速观察，最终分类和阐明了形成大（远大于原料粉末的质量中值直径）喷射物的三种机制：来自遥远位置的喷射物的碰撞和合并；相邻的、几乎同时排出的喷射物之间的碰撞和合并；蒸汽羽流使部分烧结的团聚体聚结。
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