The interplay between vapour, liquid, and solid phases in laser powder bed fusion

锁孔 材料科学 激光器 融合 不稳定性 过程(计算) 多孔性 激光功率缩放 羽流 喷射(流体) 机械 纳米技术 复合材料 光学 计算机科学 物理 热力学 哲学 操作系统 语言学 焊接
作者
I. Bitharas,N. Parab,Cang Zhao,Tao Sun,Anthony D. Rollett,A. J. Moore
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:13 (1) 被引量:5
标识
DOI:10.1038/s41467-022-30667-z
摘要

Abstract The capability of producing complex, high performance metal parts on demand has established laser powder bed fusion (LPBF) as a promising additive manufacturing technology, yet deeper understanding of the laser-material interaction is crucial to exploit the potential of the process. By simultaneous in-situ synchrotron x-ray and schlieren imaging, we probe directly the interconnected fluid dynamics of the vapour jet formed by the laser and the depression it produces in the melt pool. The combined imaging shows the formation of a stable plume over stable surface depressions, which becomes chaotic following transition to a full keyhole. We quantify process instability across several parameter sets by analysing keyhole and plume morphologies, and identify a previously unreported threshold of the energy input required for stable line scans. The effect of the powder layer and its impact on process stability is explored. These high-speed visualisations of the fluid mechanics governing LPBF enable us to identify unfavourable process dynamics associated with unwanted porosity, aiding the design of process windows at higher power and speed, and providing the potential for in-process monitoring of process stability.
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