Billeder af succes i 3-D-print

På tværs af det amerikanske energiministeriums (DOE) Argonne National Laboratory, hold tackler forskellige videnskabelige problemer forbundet med additiv fremstilling, ofte omtalt som 3-D-print, for at fremme vores forståelse af den proces, der kan revolutionere fremstillingen.

Hos Argonne's Advanced Photon Source (APS), en DOE Office of Science brugerfacilitet, et hold ledet af APS-fysiker Tao Sun og professor Lianyi Chen ved Missouri University of Science and Technology afsluttede for nylig en undersøgelse, der identificerer mulige måder at reducere "pulversprøjt", ", hvilket kan resultere i fejl i det færdige produkt. Disse oplysninger kan hjælpe virksomheder på tværs af brancher, fra rumfart til forsvar, medicinske instrumenter til bilindustrien.

Ved additiv fremstilling, producenter bruger lasere til at opvarme metalliske, plastik og keramiske pulvere. Disse opvarmede pulvere spredes derefter i meget tynde lag, et lag ad gangen, til en byggeplade – hvilket resulterer i specialfremstillede færdige produkter, lavet on-demand. Denne proces kaldes "laser powder bed fusion, " eller LPBF.

Udviklere har brugt denne teknologi til at skabe komponenter til fly, biler og endda medicinske implantater såsom kunstige kæbeknogler. Ingeniører bruger titanium og andre metallegeringer til at forbedre produktionseffektiviteten, lavere produktomkostninger og forenkle forsyningskæder. Der er ingen grænser for de mulige anvendelser, kun afhængigt af designernes vision.

Alligevel er denne proces stadig mangelfuld. De intense lasere, der rammer pulver, får ofte pulveret til at sprøjte, spray eller sprøjt, resulterer i defekter i produkter eller kvalitetskontrolproblemer. Ud over, dette kan skabe andre problemer, når ingeniører søger at genbruge rester af pulver, da det sprøjtede pulver har tendens til at forurene resten. Ingeniører skal ofte reparere færdige stykker, eller revider og gentag udskrivningsprocessen.

Fænomenet er svært at måle med konventionelle værktøjer. Det kan heller ikke forudsiges godt ved modellering eller simulering, og derfor er den detaljerede dynamik af pulversprøjt endnu ikke fuldt ud forstået.

Ved at bruge de ekstremt klare røntgenstråler ved APS, holdet var i stand til at observere dynamikken i denne pudderbevægelse, måling af pulverets hastighed og acceleration. Fra disse eksperimenter, holdet lavede et diagram, der illustrerede dynamikken og gav mulige måder at reducere sprøjt på.

Ved at fange 50, 000 billeder i sekundet, forskerne var i stand til at sondere og kvantificere dynamikken i pulverbevægelse som funktion af tid, miljøtryk og placering under det brede temperaturområde - fra 80 til mere end 4, 940 grader Fahrenheit - der forekommer i LPBF. Holdet observerede også drivkraften af ​​bevægelse forårsaget af det opvarmede metals dampfane og den resulterende strøm af argongas.

"Vi forsøger at forstå størrelsen af ​​pulverudstødningen, " sagde Sun. "Vores arbejde er at give fingerpeg om, hvordan man kan afbøde det. Til sidst, i forsøget på at få bedre produkter, vi har brug for modellering. Disse modeller er afhængige af eksperimentelle data for at validere dem. Ved hjælp af røntgenteknologier kan vi visualisere processen og validere modellen. Ingen har udviklet nøjagtige modeller til at forudsige pulverbevægelserne endnu, fordi processen er så kompleks og ikke kan måles direkte."

Forskerholdet identificerede tre måder til potentielt at afbøde pulversprøjt:forsintring - opvarmning for at forberede komprimering af pulverne via temperatur eller tryk - ved en relativt lavere temperatur, før påbegyndelse af hovedsintring (komprimering eller formning) proces; reduktion af pulverlejets tykkelse; og justering af trykket på pulverlejet for at afbalancere varmt sprøjt (som øges ved mere tryk) og totalt sprøjt (som aftager under mere tryk).

Holdet fandt bevis for, at sprøjt-inducerede porer forårsagede defekter i en prøve bygget med et tykkere lag pulver, mens sådanne defekter sjældent blev fundet i en prøve med et tyndere lag. Forskere stolede på fysikbaserede teorier til at identificere sintring og justering af tryk som potentielle afbødningsværktøjer.

Holdet brugte kontrastmekanismen i røntgenbilleder til at fange banerne for alt flyvende pulver i en video, på trods af ekstreme temperaturvariationer. Med termisk og synlig lysbilleddannelse, forskere skal bruge forskellige filtre og eksponeringstider for at se partikler med dramatisk forskellige temperaturer.

"For første gang kan vi kvantitativt studere den forbigående dynamik af pulversmeltning og sprøjtningsadfærd med høj rumlig og tidsmæssig opløsning for alle pulvere på samme tid, herunder varmt, kolde og skjulte pulvere, " sagde Chen, som er en co-korresponderende forfatter med Sun af artiklen "Forbigående dynamik af pulversprøjt i laserpulverbed-fusionsadditivfremstillingsproces afsløret af in-situ højhastigheds højenergi røntgenbilleddannelse, " offentliggjort i Acta Materialia den 26. marts.

"Denne undersøgelse er nyttig for 3-D-printersamfundet til at overvinde en stor barriere for at fremstille dele med færre defekter, " sagde Chen.

Luftfarts- og forsvarsindustrien er især interesseret i resultaterne på grund af de komplicerede dele, de har brug for.

"Luftfarts- og forsvarsindustrien bruger 3D-print til at fremstille værktøj, lette strukturer og funktionelle komponenter med komplekse geometrier, " sagde Wes Everhart, en medforfatter af papiret, fra DOE's Kansas City National Security Campus. "Bilindustrien er lige begyndt at bruge den til at fremstille komplekse komponenter."

"Dette er vigtigt, fordi det giver fingerpeg om, hvordan man kan afbøde sprøjtet, " sagde Chen. "Ingen har udviklet pålidelige modeller endnu, fordi additiv fremstilling er så kompleks og ikke kan måles direkte. Dette bringer os tættere på at realisere det fulde potentiale ved 3-D-print."