Лазерный мир

Известной проблемой в аддитивном производстве (также известной как 3D-печать) являются крошечные газовые карманы в конечном продукте, которые могут привести к трещинам и другим поломкам. Признавая это, группа исследователей из Университета Карнеги-Меллона (Питтсбург, Пенсильвания) и Аргоннской национальной лаборатории (Лемонт, Иллинойс) определила, как и когда образуются эти газовые карманы, а также методологию для прогнозирования их образования, которая может значительно улучшить процесс 3D-печати.

Ученые использовали чрезвычайно яркие высокоэнергетические рентгеновские лучи в Аргоннском усовершенствованном источнике фотонов (APS), учреждении пользователя Министерства науки США, для получения сверхбыстрого видео и изображений процесса, называемого лазерным синтезом в порошковом слое (LPBF), в котором Лазеры используются для плавления и плавления материала вместе.

Лазеры, которые сканируют каждый слой порошка, чтобы сплавить металл там, где это необходимо, создают конечный продукт. Дефекты могут образовываться, когда газовые карманы попадают в эти слои, вызывая дефекты, которые могут привести к трещинам или другим поломкам в конечном продукте.

До сих пор производители и исследователи не знали много о том, как лазер сверлит в металл, создавая полости, называемые углублениями пара, но они предполагали, что виноваты были тип металлического порошка или прочность лазера. В результате производители используют метод проб и ошибок с различными типами металлов и лазеров, чтобы уменьшить количество дефектов. Исследования показывают, что эти паровые депрессии существуют практически во всех условиях процесса, независимо от того, являются ли они лазером или металлом. Еще важнее то, что исследование показывает, как предсказать, когда маленькая депрессия перерастет в большую и нестабильную, которая потенциально может создать дефект.

Используя высокоспециализированное оборудование в APS Аргонн, исследователи наблюдали за тем, что происходит, когда лазер перемещается по слою металлического порошка, чтобы создать каждый слой продукта.

Это изображение, полученное под синхротроном в Аргоннской национальной лаборатории, показывает пустоту замочной скважины, образующуюся в процессе металлической 3D-печати; во время лазерной сварки порошкового слоя 3D-принтер просверливает отверстие в металле.

В идеальных условиях форма ванны расплава является мелкой и полукруглой, что называется режимом проводимости. Но во время самого процесса печати мощный лазер, часто движущийся с низкой скоростью, может изменить форму ванны расплава на нечто вроде замочной скважины в защищенном замке: круглый и большой сверху, с узким острием внизу. Такое плавление в замочной скважине может привести к дефектам в конечном продукте.

«На основе этого исследования мы теперь знаем, что феномен замочной скважины во многих отношениях важнее, чем порошок, используемый в аддитивном производстве», — говорит Росс Каннингем, недавний выпускник Университета Карнеги-Меллона и один из соавторов. этой статьи. «Наше исследование показывает, что вы можете предсказать факторы, которые ведут к замочной скважине, а это значит, что вы можете также изолировать эти факторы для достижения лучших результатов».

Исследования показывают, что замочные скважины образуются при достижении определенной плотности мощности лазера, достаточной для кипячения металла. Это, в свою очередь, показывает критическую важность лазерной фокусировки в процессе аддитивного производства, элемент, которому до сих пор уделялось мало внимания, по мнению исследовательской группы.

Явление замочной скважины можно было рассмотреть с такими подробностями из-за масштаба и специальных возможностей, разработанных в Аргонне, объясняет Тао Сан, физик из Аргонны и автор статьи. «Интенсивный высокоэнергетический рентгеновский луч на APS является ключом к таким открытиям», — добавляет он.

Исследовательская группа считает, что это исследование может мотивировать производителей машин для производства добавок к большей гибкости при управлении машинами и что улучшенное использование машин может привести к значительному улучшению конечного продукта. Кроме того, если применить эти идеи, процесс 3D-печати может ускориться. Полная информация о работе опубликована в журнале Science

Источник: https://www.industrial-lasers.com/articles/2019/02/x-ray-laser-pinpoints-how-defects-occur-in-additive-manufacturing.html