研究人员通过测量电子发射来提高对激光金属3D打印的理解

• 上面的图像显示了激光诱导不锈钢融化的多物理模拟，显示电子发射信号主要产生在表面凹陷的前端。底部图像描绘了不锈钢制造的激光轨迹的截面。通过对热离子发射的监测，可以检测到传导型和锁孔型焊接状态之间的过渡。

美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的研究人员通过测量激光加工过程中不锈钢表面的电子发射，在提高激光金属3D打印技术的可靠性方面迈出了有希望的一步。

研究人员在激光粉末床融化（LPBF）条件下收集了316L不锈钢的热离子发射信号，使用定制的测试床系统和电流前置放大器来测量金属表面和腔室之间的电子流动。然后他们使用产生的热离子发射来识别激光-金属相互作用引起的动力学。

该团队表示，研究结果说明了热离子发射传感的潜力，可以检测导致部件缺陷的激光驱动现象，优化构件参数，提高对LPBF过程的认识，同时补充现有的诊断能力。研究人员表示，捕获电子热辐射的能力将有助于增进对LPBF过程中激光与材料相互作用动力学的基本理解，并支持更广泛的技术成熟社区对使用该技术创建的部件建立信心。

首席研究员艾登·马丁说：“生产无缺陷部件是金属添加剂制造广泛商业应用的一个主要障碍。”LLNL的研究人员已经通过开发过程和诊断工具来解决这个问题，以提高金属AM的可靠性。这种新的方法补充了这些现有的诊断工具，以增加我们对3D打印过程的理解。我们的下一步是将该技术扩展为在全尺寸LPBF系统上运行的传感器，以增强对已建部件质量的信心。”

研究人员说，虽然已经做了大量的研究来了解和测量用LPBF打印的零件是如何通过光学成像、x射线照片或测量热或声信号发射的，但热离子发射一直被忽视。但通过观察和分析激光加工过程中发射的电子，实验室研究人员证明，他们可以将热离子发射的增加与表面温度和激光扫描条件联系起来，从而导致孔隙的形成和部分缺陷。

通过实验数据与仿真，研究人员报道了热电子发射信号呈指数增加，展示了“关键依赖”的金属表面温度对热离子排放和使用热离子信号的实用工具来优化LPBF激光的焦点。该研究的第一作者、LLNL工程师说：“在金属添加剂制造中，电子发射通常被社会忽视了，我们很兴奋地观察到它对工艺条件的极端敏感性。”

该小组的观察显示，LPBF过程中等离子体的形成，之前他们认为是由激光使汽化的金属电离，也可能是由电子从金属表面射入氩气大气并与激光相互作用造成的。

研究人员表示，热离子发射对表面温度和表面形貌的高敏感性，使他们能够确定传导和小孔形成之间的准确过渡点，从而导致部分孔隙的形成。他们总结说，结果表明热离子信号可以有效地用于传统的LPBF数据收集和处理方法，提高激光与材料相互作用的科学知识，并确定缺陷可能出现的地方。

更广泛地说，这项工作代表了建立有效的现场监测能力的重要一步，可以加速LPBF组件的资格鉴定和认证。