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MIT研究員發(fā)現(xiàn)融化可以防止金屬3D打印的粘附

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責(zé)任編輯：六月芳菲時(shí)間：2018-01-10 10:18

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[導(dǎo)讀]研究人員使用超高速攝像機(jī)觀察了噴涂過(guò)程，發(fā)現(xiàn)了金屬結(jié)合的理想條件。

麻省理工學(xué)院的研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種新的方法，可以讓金屬涂層附著在一起，這項(xiàng)研究可能對(duì)金屬3D打印產(chǎn)生重大影響。研究人員使用超高速攝像機(jī)觀察了噴涂過(guò)程，發(fā)現(xiàn)了金屬結(jié)合的理想條件。

噴射沖擊后的金屬表面，熔化形成的坑

通常認(rèn)為熔化是一種粘結(jié)金屬的好方法，但最近麻省理工學(xué)院的一些研究人員做了一個(gè)發(fā)現(xiàn)，使得一些普遍持有的科學(xué)信仰受到懷疑。他們的發(fā)現(xiàn)可能會(huì)對(duì)金屬增材制造產(chǎn)生重大影響。

這項(xiàng)令人興奮的研究成果得益于研究人員使用的高科技成像設(shè)備：使用16個(gè)獨(dú)立電荷耦合器件（CCD）成像芯片的高速相機(jī)，可以在三納秒內(nèi)捕獲圖像。

該光學(xué)套件主要由麻省理工學(xué)院博士后David Veysset開(kāi)發(fā)，其設(shè)置速度如此之快，可以執(zhí)行以前不可能完成的以超音速噴射單個(gè)粒子的任務(wù)。

相機(jī)每秒可以拍攝3億張照片，團(tuán)隊(duì)將這一令人難以置信的技術(shù)用于拍攝類似于金屬表面涂層的類似噴漆的工藝。

但是，這不僅僅是一個(gè)仔細(xì)研究科學(xué)家已經(jīng)了解的過(guò)程的例子。由于人們以前從來(lái)沒(méi)有能夠正確地觀察過(guò)這樣的噴霧過(guò)程，所以科學(xué)家們不得不根據(jù)結(jié)果而不是過(guò)程本身來(lái)估計(jì)粒子撞擊目標(biāo)表面時(shí)究竟發(fā)生了什么。有人認(rèn)為金屬粒子撞擊表面時(shí)會(huì)熔化，別人不會(huì)。

現(xiàn)在，隨著Veysset超級(jí)強(qiáng)大的光學(xué)設(shè)備，研究人員終于可以提供一些答案。他們的發(fā)現(xiàn)在某些條件下，金屬顆粒確實(shí)會(huì)熔化表面。但是這實(shí)際上具有非常意想不到的連鎖效應(yīng)：顆粒不粘附。

麻省理工學(xué)院的研究人員目睹了顆粒在較短的時(shí)間內(nèi)反彈，而不是表面重新凝固，這意味著顆粒離開(kāi)仍然是熔化的表面。

這是一個(gè)非常違反直覺(jué)的發(fā)現(xiàn)，但是可以完全重塑工程師對(duì)粘合的方式：目前，缺乏粘合常常通過(guò)提高噴涂速度或溫度來(lái)“固定”以改善熔融。然而，這可能與他們應(yīng)該做的事情完全相反。

粒子熔化和彈跳（上圖）;不熔化和粘附（下面）

然而，麻省理工學(xué)院并不是一帆風(fēng)順的，因?yàn)樗麄儼l(fā)現(xiàn)了一種改善結(jié)合力的方法，這是基于他們目睹的高速事件。

他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)噴射撞擊顆粒和表面保持固體狀態(tài)但“飛濺”向外時(shí)，粘合效果最好。顆粒不是液體，但看起來(lái)像液體，這種“固體飛濺”是使金屬顆粒粘附的最佳方式。

研究人員的理解也只會(huì)改善。隨著高速攝影機(jī)準(zhǔn)備好進(jìn)行更多的實(shí)驗(yàn)，麻省理工學(xué)院的研究人員現(xiàn)在可以找到一種方法來(lái)誘導(dǎo)這種飛濺的正確條件，有可能導(dǎo)致更好的金屬3D打印過(guò)程和改進(jìn)的金屬涂層技術(shù)。

當(dāng)然，并非所有的金屬3D打印過(guò)程都以與噴涂相似的方式工作，在此期間，噴涂的顆粒撞擊表面。例如，SLM 3D打印機(jī)制造商可以放心，他們的機(jī)器工作得很好。

然而，研究人員確實(shí)有一些具體的應(yīng)用，他們認(rèn)為可以從這個(gè)新的發(fā)現(xiàn)中受益。他們認(rèn)為，在這個(gè)高科技的觀察臺(tái)的幫助下，改進(jìn)的金屬涂層工藝可以讓工程師有效地涂覆發(fā)動(dòng)機(jī)部件，以便它們可以重新使用磨損部件而不是將其丟棄。

麻省理工學(xué)院教授克里斯托弗·舒赫（Christopher Schuh）表示：“從一臺(tái)大型挖掘機(jī)運(yùn)來(lái)的老式發(fā)動(dòng)機(jī)，要花費(fèi)大量的時(shí)間才能把它扔掉。 “相反，你可以清理它，并使用噴霧過(guò)程來(lái)更新表面。”

就改進(jìn)的金屬3D打印系統(tǒng)而言，需要一個(gè)金屬層有效地與下一個(gè)金屬層結(jié)合，Schuh認(rèn)為新的“數(shù)學(xué)而不是經(jīng)驗(yàn)”的方法只能幫助改善問(wèn)題。

除Veysset和Schuh外，研究還包括博士后Mostafa Hassani-Gangaraj和Keith Nelson教授的工作。

他們的研究成果已經(jīng)發(fā)表在兩篇論文上：“Scripta Materialia”發(fā)表的“單顆粒微粒撞擊粘結(jié)的原位觀察”，“物理評(píng)論快報(bào)”已經(jīng)發(fā)表了“熔融阻礙碰撞誘導(dǎo)粘附”。

cr.3ders

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