Infrarødt kamera for at sikre højkvalitets 3D-reproducerbarhed af dele

Tilføjelsen af ​​et nyt infrarødt kamera på Argonnes Advanced Photon Source indsnævrer kløften mellem grundlæggende og anvendt forskning inden for additiv fremstilling.

En af de største udfordringer, som 3-D-printindustrien står over for, er, hvordan man sikrer højkvalitets reproducerbarhed af dele. Uden bedre indsigt i, hvordan man opdager og stopper defekter, teknologien har begrænsninger ved fremstilling af råvaredele.

Den tiltrængte indsigt er lige ved hånden for industrielle designere nu, takket være et nyt værktøj til rådighed for industrien og forskere ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Argonne National Laboratory. Installationen af ​​et infrarødt kamera til højenergi røntgenkilden ved Argonne's Advanced Photon Source, en DOE Office of Science brugerfacilitet, giver forskere mulighed for at måle termiske signaturer på tværs af overflader i realtid.

Argonne var det første amerikanske nationale laboratorium til at integrere et metal 3-D printapparat i en strålelinje, eller fotonsti, til røntgendiagnostik. Det er også det eneste nationale laboratorium, der kan se metalpulveret, der smelter inden for det såkaldte "smeltebassin"-område på mindre end et nanosekund. Tilføjelse af det højhastigheds-infrarøde kamera til en synkrotron-strålelinje er en anden første, og gør det muligt for forskerne i højere grad at replikere de aflejringsprocesser, der finder sted på et rigtigt produktionsgulv.

De kombinerede diagnoseværktøjer lader industrien og forskere optage røntgenbilleder ved 1, 000, 000 billeder i sekundet og termiske billeder ved 100, 000 billeder i sekundet under 3-D printprocesserne. Dette skaber film af dannelsen af ​​nøgledefekter forårsaget af ustabilitet i smeltebassinet, udstødning af pulversprøjt og uhensigtsmæssig scanningsstrategi.

Komplementær billeddannelse

Brugt side om side med røntgenmikroskopi, højhastigheds termisk billeddannelse kan levere ny indsigt i, hvor meget og hvor hurtigt forskellige områder i delen opvarmes og afkøles under hele konstruktionen, som involverer millioner af laserlinjescanninger. Disse indsigter kan bruges til at reducere variationer i design af dele, og forbedre effektiviteten af ​​additiv fremstilling af forbrugerprodukter, forsvar, medicin, bilindustrien og mange andre feltapplikationer.

"Infrarød og røntgenbilleder supplerer hinanden, " sagde Argonne-fysiker Tao Sun. "Fra den ene side har du røntgenstrålerne, der penetrerer prøven for at hjælpe dig med at se mikrostrukturerne uden nogen termisk information, mens du på den anden side har det infrarøde kamera, der fanger mange termiske signaturer forbundet."

En måde, hvorpå det infrarøde kamera forbedrer røntgenbilleder, er ved at hjælpe med at visualisere dannelsen af ​​fordampet pulver. som dannes, når laseren rammer og bevæger sig hen over pulveret. Disse faner, høj varme, kan forstyrre laserens ydeevne.

Disse faner kan ikke ses ved brug af røntgenstråler alene på grund af partiklernes fordampede tilstand, men opfanges af infrarødt lys. Ved siden af ​​målinger taget med røntgenstråler, sådanne data, samt andre vigtige parametre, herunder opvarmnings- og afkølingshastigheder, kan føres ind i modeller af 3-D-print for at forbedre deres nøjagtighed og hastighed.

Bro mellem grundlæggende og anvendt videnskab

En anden vigtig fordel ved infrarøde kameraer er deres evne til at blive integreret i additive produktionssystemer, at bringe den grundlæggende forskning udført på APS tættere på brugere i den virkelige verden.

Sun og Greco ser en fremtid, hvor brugerne af additive produktionssystemer kan tilslutte infrarøde kameraer til deres maskiner for at udnytte indsigter fra kobling af røntgen og infrarød billeddannelse, såsom en termisk signatur (fundet gennem infrarød billeddannelse) korreleret med dannelsen af ​​en defekt (fanget gennem røntgenbilleddannelse). Hvis fundet, brugere kunne identificere, hvornår der opstod defekter i deres egne systemer baseret på en given signatur, og træffe forebyggende foranstaltninger for at afbøde eller løse problemet.

Sådanne potentielle applikationer er langt ude i fremtiden, Sun sagde, men eksemplificere de potentielle fordele ved at integrere begge billeddannelsesteknikker.

"Ikke alle er heldige nok til at have adgang til en kraftig røntgenlyskilde som APS, så hvis vi kan finde måder at levere information og bruge værktøjer, som de fleste mennesker har adgang til, som termiske kameraer, vi kan have en endnu større indflydelse på marken, " han sagde.

Det infrarøde kamera er placeret ved Advanced Photon Sources 32-ID-B beamline. IR-kameraet blev finansieret gennem et LDRD-program som en del af Argonnes Manufacturing Science and Engineering Program. Se en video om denne nye teknologi her.