上面的圖像顯示了雷射誘導不鏽鋼融化的多物理模擬，顯示電子發射信號主要產生在表面凹陷的前端。底部圖像描繪了不鏽鋼製造的雷射軌跡的截面。通過對熱離子發射的監測，可以檢測到傳導性和鎖孔型焊接狀態之間的過渡。美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的研究人員通過測量雷射加工過程中不鏽鋼表面的電子發射，在提高雷射金屬3D列印技術的可靠性方面邁出了有希望的一步。
研究人員在雷射粉末床融化（LPBF）條件下收集了316L不鏽鋼的熱離子發射信號，使用定製的測試床系統和電流前置放大器來測量金屬表面和腔室之間的電子流動。然後他們使用產生的熱離子發射來識別雷射-金屬相互作用引起的動力學。
該團隊表示，研究結果說明了熱離子發射傳感的潛力，可以檢測導致部件缺陷的雷射驅動現象，優化構建參數，提高對LPBF過程的認識，同時補充現有的診斷能力。研究人員表示，捕獲電子熱輻射的能力將有助於增進對LPBF過程中雷射與材料相互作用動力學的基本理解，並支持更廣泛的技術成熟社區對使用該技術創建的部件建立信心。
首席研究員艾登·馬丁說：「生產無缺陷部件是金屬添加劑製造廣泛商業應用的一個主要障礙。」LLNL的研究人員已經通過開發過程和診斷工具來解決這個問題，以提高金屬AM的可靠性。這種新的方法補充了這些現有的診斷工具，以增加我們對3D列印過程的理解。我們的下一步是將該技術擴展為在全尺寸LPBF系統上運行的傳感器，以增強對已建部件質量的信心。」
研究人員說，雖然已經做了大量的研究來了解和測量用LPBF列印的零件是如何通過光學成像、x射線照片或測量熱或聲信號發射的，但熱離子發射一直被忽視。但通過觀察和分析雷射加工過程中發射的電子，實驗室研究人員證明，他們可以將熱離子發射的增加與表面溫度和雷射掃描條件聯繫起來，從而導致孔隙的形成和部分缺陷。
通過實驗數據與仿真，研究人員報導了熱電子發射信號呈指數增加，展示了「關鍵依賴」的金屬表面溫度對熱離子排放和使用熱離子信號的實用工具來優化LPBF雷射的焦點。該研究的第一作者、LLNL工程師說：「在金屬添加劑製造中，電子發射通常被社會忽視了，我們很興奮地觀察到它對工藝條件的極端敏感性。」
該小組的觀察顯示，LPBF過程中等離子體的形成，之前他們認為是由雷射使汽化的金屬電離，也可能是由電子從金屬表面射入氬氣大氣並與雷射相互作用造成的。
研究人員表示，熱離子發射對表面溫度和表面形貌的高敏感性，使他們能夠確定傳導和小孔形成之間的準確過渡點，從而導致部分孔隙的形成。他們總結說，結果表明熱離子信號可以有效地用於傳統的LPBF數據收集和處理方法，提高雷射與材料相互作用的科學知識，並確定缺陷可能出現的地方。
更廣泛地說，這項工作代表了建立有效的現場監測能力的重要一步，可以加速LPBF組件的資格鑑定和認證。