勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL），SLAC國家加速器實驗室（SLAC）和艾姆斯實驗室的科學家正在研究X射線成像，以檢查激光粉末床融合過程中的金屬部件。該研究論文是實驗室之間合作的一部分，旨在確定金屬3D打印部件缺陷的原因，并了解如何減輕這些缺陷。
     為了實施該項目，LLNL研究員Nick Calta及其團隊設計了一種便攜式診斷機，能夠使用X射線成像探測金屬3D打印過程。該機器最終幫助研究人員對金屬添加劑制造工藝有了新的見解。 “絕大多數(shù)診斷使用可見光，這些非常有用，但也僅限于分析零件的表面，”Calta解釋說。“如果我們真的要理解這個過程并看到導致瑕疵的原因，我們需要通過這個樣本進行探測。這個儀器允許我們這樣做。“

勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的研究人員（左起）Phil Depond，Nick Calta，Aiden Martin和Jenny Wang。照片來自LLNL。
        實驗室之間的多年合作伙伴關系由能源部（DOE）的能源效率和可再生能源（EERE）先進制造辦公室提供資金。 SLAC和AMES都是DOE實驗室，LLNL也主要由聯(lián)邦機構資助。實驗室之間的合作是美國能源部國家實驗室大創(chuàng)意峰會（BIS）的一個分支。
        DOE的BIS是一年一度的活動，旨在培養(yǎng)國家實驗室綜合體的協(xié)作和戰(zhàn)略技術規(guī)劃。三個實驗室之間建立的合作項目反映了BIS，SLAC貢獻其X射線技術，Ames實驗室提供粉末，金屬和材料科學方面的專業(yè)知識。 “這是一個非常好的團隊，因為每個合作伙伴都會帶來力量，”LLNL材料科學部S＆T副部門主管Tony Van Buuren說。“該團隊正在構建一種獨特的功能，并提供您無法通過其他任何方式獲得的信息。我們一起引入了診斷技術，融入了科學，并開始研究新材料。“

大創(chuàng)意峰會。照片來自美國能源部。
使用X射線成像識別金屬AM部件中的孔隙
      便攜式診斷機專門設計用于在激光粉末床熔合過程中觀察和探測熔池。熔池是激光與金屬粉末接觸的區(qū)域，能夠熔合并產生形成3D打印部件的層。由于研究項目的激進時間表，它原位組裝，并且證明難以構建。為了確保儀器按照研究意圖運行，LLNL團隊必須將其運輸?shù)絊LAC。然后安裝了SLAC的“同步加速器”，這是制作高能X射線以研究樣品所必需的。在SLAC的Stanford Synchrotron Radiation Lightsource使用該機器，研究人員能夠成功地觀察到表面下熔池的動態(tài)變化。它提供了有關成像和X射線衍射組合的有意義的數(shù)據(jù)，這有助于研究人員觀察和了解激光粉末床融合過程中金屬如何凝固，這是部件強度的關鍵決定因素。
     “成功將更多地了解物理學，讓我們修改過程以避免缺陷，到目前為止，我們的結果很有希望。我們希望繼續(xù)優(yōu)化儀器并將其應用于不同的材料系統(tǒng)。我們已經(jīng)擁有了大量基于光學數(shù)據(jù)的知識，這使我們能夠分支出來并補充這些知識。“

EOS 3D打印機上激光粉末床熔合（LPBF）添加劑制造工藝的一個例子。通過EOS拍照

       LLNL物理學家Ibo Matthews表示，觀察熔池的層形成過程以及X射線圖像與模擬的比較的能力已經(jīng)證實了先前做出的預測。這些預測激光的路徑，熱量積聚和激光產生的氣體羽流會在印刷部分產生缺陷，如毛孔，這會在受到壓力時導致部件開裂。研究人員表示，通過建模和詳細實驗來編譯缺陷知識可能有助于加速金屬3D打印的改進。