研究

研制出“保证零件质量”的实时液态金属喷射诊断工具

工程师们劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)已经开发出一种方法来优化通过液态金属喷射(LMJ) 3D打印生产的任何部件的性能。

LLNL团队没有采用昂贵的高速摄像方法,而是设计了一种将近场探测与模拟相结合的方法,在分析喷射材料时只关注一个参数。利用他们的方法,研究人员表示,在调整打印机设置以“保证零件质量”之前,有可能实时识别喷嘴问题的原因。

该研究的主要作者Tammy Chang说:“我们的结果表明,使用毫米波检测方法可以对LMJ进行原位监测。”“这是令人兴奋的,因为这意味着我们可以取代计算昂贵的高速、高分辨率光学诊断,实现实时性能评估和反馈控制,以确保高质量的打印金属部件。”

原位诊断LMJ问题

“液态金属喷射”(Liquid Metal Jetting)描述的是这样一个过程:微小的金属液滴从喷嘴高速喷射出来,形成可以组装成同质部件的层,其方法类似于喷墨打印机。然而,与基于激光的系统相比,LMJ机器不需要使用危险的金属粉末,因此它们可能提供了达到相同目的的更安全的方法。

随着该技术不断发现新的应用,其性能也受到了更严格的审查,在某些应用中确定最佳参数集已被证明是困难的。这在很大程度上是由于喷射材料可能受到许多因素的影响,从液滴大小和喷射时间,到速度、流速和温度。

虽然高速视频经常被用来分析LMJ的实际作用,但由于处理限制,这种方法只能使用几秒钟,大量的数据需要几天的时间来筛选。为了使实时分析更加可信,LLNL团队开发了一种可伸缩的方法,这种方法更多地依赖模拟而不是捕获千兆字节的信息。

LLNL团队的实验性3D打印诊断装置建立起来了。
LLNL团队的实验材料喷射诊断建立。图片来自《应用物理学杂志》。

Factory-ready LMJ监控吗?

工程师们修改后的诊断方法包括在生产过程中垂直于打印机放置一个开放式的波导,这样任何喷射的液滴都可以通过孔径的电磁场。通过这样做,就有可能在现场捕获金属液滴的动态,与单独使用视频分析相比,需要收集的数据要少得多。

为了将他们的方法付诸实践,LLNL团队将一个铝波导插入LMJ 3D打印机的构建室,并在系统的两侧设置摄像头来捕捉结果。有趣的是,通过一次关注一个参数,研究人员能够积累足够的数据,通过电磁模拟获得对液滴行为的迷人洞察。

例如,在喷射过程中,该团队能够非侵入性地识别液滴间距和直径对打印层特性的精确影响。通过进一步评估他们的数据,工程师们还能够找到在他们的实验中打印喷嘴堵塞的原因,因为当它发生时,捕捉到的波长有“可观察到的变化”。

事实证明,喷嘴表面形成了一种张力,阻止了材料燃烧,并导致液滴粘在原地,直到打印机的下一个脉冲将其喷射出来。因此,研究人员认为,如果在工厂环境中部署,他们的方法可以用于实时确定沉积滴度的质量,允许制造商最大限度地减少打印失败。

该研究的合著者安迪·帕斯卡尔总结道:“让水滴直接干净地喷射出来,是实现良好打印质量的关键。”“高速摄像在我们测试新打印参数的实验室环境中工作得很好,但在生产中永远无法工作。这种类型的诊断在生产环境中非常有用。”

虽然LLNL诊断工具目前能够检测400-500米大小的液滴,但研究团队表示,未来可以提高安装频率,以监测50-100米的液滴。或者,使用其他信号处理方法,甚至可以将它变成一个闭环系统,在这个系统中,数据可以用来动态调整打印参数。

一托盘后处理XJet 3D打印零件。
材料喷射零件不断发现新的最终用途。通过XJet照片。

AM的材料喷射方法

与许多先进的生产工艺一样,材料喷射3D打印是不断研发的主题,工程师们正试图磨练其大规模制造能力。话虽如此,如果认为这项技术还没有找到最终用途,那就大错特错了,因为目前业内有几家公司正在销售可以被合理地称为“材料喷射”的技术。

Stratasys公司例如,它继续取得重大进展Polyjet技术,并选择启动桌面J35 Pro今年早些时候。该系统的设计目的是让在办公室工作的人也能接触到该公司的材料喷射过程,据说该系统非常适合消费类和电子产品以及学术应用的原型设计。

使用多喷射聚变(MJF),惠普开发了另一项著名的材料喷射技术,已被世界各地的3D打印供应商采用。更重要的是,随着其机器的兼容性的扩大,它们的应用也扩大了,以及类似的实现此前推出了专用材料旨在释放惠普系统的潜力。

在其他地方,材料喷射专家XJet是否发现其陶瓷兼容的最终用途牙科应用卡梅尔1400年3D打印机,通过与Straumann合作.据称,该系统的高吞吐量和可溶支撑兼容性对该公司有利,因为其牙科专业人员现在能够花更多的时间与患者在一起,因为他们不必担心打印部件的后处理。

研究人员的研究结果详细发表在题为《液态金属液滴按需印刷的毫米波电磁监测这本书由T. chang, S. Mukherjee, N. N. Watkins, E. Benavidez, A. M. Gilmore, A. J. Pascall和D. M. Stobbe合著。

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特色图片显示了LLNL团队的实验材料喷射诊断设置。图片来自《应用物理学杂志》。