Kaster nyt lys over laseradditiv fremstilling

Additiv fremstilling (AM, også kendt som 3-D-print) giver os mulighed for at skabe utroligt komplekse former, hvilket ikke ville være muligt ved brug af traditionelle fremstillingsteknikker. Imidlertid, objekter skabt ved hjælp af AM har andre egenskaber end traditionelle fremstillingsruter, hvilket nogle gange er en ulempe.

Laser additive manufacturing (LAM) bruger en laser til at smelte sammen metalliske, keramiske eller andre pulvere til komplekse 3D-former, lag for lag. Afkølingshastighederne er ekstremt høje, og da de er i modsætning til konventionelle processer, kender vi ikke de optimale betingelser for at opnå de bedste egenskaber, forsinke optagelsen af ​​LAM i produktionen af ​​sikkerhedskritiske tekniske strukturer, såsom turbinevinger, energilagring og biomedicinsk udstyr. Vi har brug for en metode til at se inde i processen med LAM for bedre at forstå og optimere laser-stof-interaktionen og pulverkonsolideringsmekanismerne.

Baseret i forskningskomplekset i Harwell, et team af forskere har arbejdet med forskere på I12, Joint Engineering Environment Processing (JEEP) beamline og Central Laser Facility for at bygge en laseradditivfremstillingsmaskine, der opererer på en beamline, giver dig mulighed for at se ind i hjertet af processen, afsløre de underliggende fysiske fænomener under LAM.

Professor Peter Lee fra University of Manchester, der leder projektet forklarer:"LAM-processen er meget hurtig, foregår i millisekunder, og for at undersøge har vi brug for mikrosekundsopløsning, hvilket kun kan opnås med en synkrotrons glans. Det giver os mulighed for at følge processen fra pulver, gennem smeltning og derefter størkning tilbage til den endelige faste form. På JEEP undersøger vi de superlegeringer, der bruges i flymotorer, og vi har brug for den høje energi, hårde røntgenstråler produceret der for at se inde i dem."

In situ, i operando røntgen radiografi

Til denne forskning, holdet skabte en ny LAM-procesreplikator, LAMPR, som giver dem mulighed for at afbilde og kvantificere dannelsen af ​​smeltesporet, når lagene udskrives under AM. LAMPR er designet til at passe på beamline og efterligner et kommercielt LAM-system, med vinduer, der er gennemsigtige for røntgenstråler, giver videnskabsfolk mulighed for at se helt ind i hjertet af LAM-processen, mens den finder sted. De brugte røntgenstråler med høj tidsmæssig og rumlig opløsning til at afdække nøglemekanismer for laser-stof-interaktion og pulverkonsolidering under LAM, herunder dannelse og udvikling af smeltespor, sprøjt mønstre, den blottede zone (en pulverfri zone) og porøsiteten i de aflejrede lag. Den tidsopløste kvantificering af pore- og sprøjtbevægelserne gav afgørende information om deres strømningshastigheder og retning, som ikke er mulige at erhverve ved hjælp af andre teknikker.

"LAMPR er et unikt stykke udstyr, og beamline støtte var helt afgørende. Vi arbejdede med Diamond-medarbejdere lige fra udarbejdelsen af ​​forslaget. Diamond hjalp med det mekaniske design, og optikken og integration af LAMPR i kontrolsystemerne", siger Dr. Alex Leung, PDRA, der leder eksperimenterne.

Resultaterne af disse eksperimenter afklarer aspekter af fysikken bag LAM, som er afgørende for dens udvikling. Den tidligere hypotese var, at dannelsen af ​​overfladeporøsitet på færdige genstande skyldtes ufuldstændig smeltning eller utilstrækkelig væsketilførsel. Imidlertid, denne forskning viser, at den er dannet via en poresprængende mekanisme. Porer nær overfladen slipper ud i atmosfæren, efterlader en overfladefordybning.

Yderligere, holdets resultater afslører, at det kontinuerlige spor af smeltet materiale ofte sker via forsmeltning foran hovedsporet, drevet af overfladespænding (Marangoni flow), før de flettes ind i hovedsporet. Metaldamp og opvarmning af inert gas er en potentiel kilde til defekter, danner en fane, som skyder pulver og smeltede dråber væk fra hovedsporet.

Ved at gøre det muligt at undersøge forskellige procesforhold, LAMPR tillod holdet at lave et proceskort, der illustrerer, hvordan man tuner LAM-processen til at producere et kvalitetsprodukt med minimalt forsøg og fejl. I modsætning til et traditionelt proceskort, synkrotron-billeddannelse producerer et mekanismekort, som afslører den grundlæggende fysik, der begrænser procesvinduet. Dette gør det muligt for legeringen, betingelser eller endda proces, der skal ændres for at overvinde restriktionerne og opnå et mere effektivt behandlingsmiljø.

Denne metode kaster nyt lys over mekanismerne for poredannelse, inklusive migration, opløsning, spredning, og sprængning af porer under LAM, og fremtidige undersøgelser på disse områder vil uddybe vores grundlæggende forståelse af arten af ​​laser-stof-interaktionen.