在“金属3D打印过程中的孔隙消除机制”中，来自世界各地的研究人员利用成像和建模技术来防止气孔，从而进一步探索激光粉末床融合（LPBF）技术。

虽然金属3D打印已经非常流行，特别是在工业领域，但在许多用户能够完全接受这些过程之前，仍有许多挑战需要克服。在这项研究中，作者使用现场高速高分辨率同步X射线成像和多物理模型来了解更多关于如何控制多孔性问题的知识，因为它们经常出现在熔池中，然后在部件中找到。

用户通常很难通过后处理来采取措施降低孔隙度：

“例如，热等静压（HIP）无法封闭表面毛孔；HIP关闭的气孔可以在随后的热处理过程中重新打开并生长。”研究人员表示，他们正在寻找最合理的途径来解决打印过程中的问题。

具有高速度和小尺寸的毛孔使得研究人员难以在打印过程中检查它们的运动。X射线以前取得过成功，但分辨率较差。研究小组发现，毛孔不仅可以根据温度和热毛细作用力移动，还可以通过熔体流动引起的阻力。此外，他们发现高热毛细力可以克服阻力，从而阻止在打印过程中形成孔。

LPBF过程中孔隙动力学的原位表征。原位高速X射线成像实验的示意图。b代表立方体（300μm×200μm×200μm），由X射线计算机断层扫描数据重建，显示增材制造的AlSi10Mg板内孔的大小和分布。 c代表性的单脉冲X射线图像，揭示了微孔以及粉末床表面下方的熔池和凹陷区（激光功率为360 W，扫描速度为1 m s-1，激光束直径（D4σ） ）100μm）。熔池和凹陷区的边界用白色虚线表示，激光的位置用红色箭头表示。c中的比例尺为50μm。

原位X射线成像包括以下内容：

粉末床系统 - 夹在两块玻璃碳板之间的基板上的100微米粉末层。

选择性激光熔化系统（用于扫描粉末床并形成熔池）

高速X射线成像系统 - 显示LPBF过程

“为了研究热毛细力对整个熔池不同位置的孔隙动力学的影响，我们利用局部温度梯度和熔体流动的平均速度（1.1±0.5 m s-1），开发了一个基于热毛细力与曳力之比（Ft / Fd）的力图，用于10μm二聚物孔。研究人员表示，浮力被忽略因为它比这里研究的热毛细力和孔径范围内的阻力小几个数量级。”

孔隙运动和消除的驱动力。a-c X射线图像显示了跟踪粒子（钨微粒，用白色虚线圆圈标记）的轨迹（用红色箭头表示），表示循环域的熔体流动（a）过渡域（b）和激光相互作用在LPBF过程中熔池中的区域（c）。（d）LPBF过程中熔池内的温度梯度，通过激光加工参数的多物理建模获得，与原位实验相同（参见“方法”部分）。温度梯度的大小和方向分别用颜色和黑色箭头表示。白色箭头表示温度梯度从固液界面（熔化前沿）到凹陷区前壁增加（图5）。（e）直径为10μm的孔的热毛细力（Ft）与曳力（Fd）之比。在a-c中，激光功率为360W，扫描速度为1m s-1，粉末层厚度为100μm。a-c中的比例尺为50μm。

还进行了实验，以观察这一过程如何影响3D打印，而不是由粉末驱动。研究结果显示“类似的气孔运动行为”。

总体而言，研究人员发现，当LPBF正在进行时，他们能够利用热毛细力消除气孔。他们在打印过程中证明了这一点，并且通过激光重新扫描和适当的激光扫描参数，“热毛细力”消除了先前层中的气孔。

研究人员希望这项研究会对以下应用产生积极影响：

激光抛光

激光熔覆

焊接

熔纺

核反应堆

化学反应器

“我们通过两种合金中的热毛细力实现了孔隙消除，这表明热毛细力驱动的孔隙消除机制不仅限于特定的合金系。”研究人员表示。

孔隙率是研究的一个持续主题，3D打印用户不断改进制造工艺，尤其是在金属方面，但也基于挤出的打印，FDM 3D打印和生物打印。

熔池内的动态孔隙运动。a-d X射线图像显示LPBF过程中的孔隙动态。粉末层的厚度为100μm。e-h X射线图像显示了裸基板的激光熔化过程中的孔隙动态。虚线箭头表示孔隙的未来轨迹，而实线箭头表示孔隙轨迹的历史。孔隙在循环域（a，e）处遵循圆形图案，而激光相互作用域中的孔则向凹陷区移动，并从熔池（d，h）中逃逸。在过渡域（b，c，f和g）中，孔表现出不规则的移动行为，有时向熔池表面移动并逃逸（c，g），有时在熔池（b，f）中循环。激光束直径（D4σ）为100μm，激光功率为360W，扫描速度为1m s-1。 所有比例尺均为50μm。