Ny teknologi kan revolutionere 3-D-print

En teknologi, der oprindeligt er udviklet til at udglatte og mønstre kraftige laserstråler til National Ignition Facility (NIF) kan bruges til at 3-D-printe metalgenstande hurtigere end nogensinde før, ifølge en ny undersøgelse foretaget af Lawrence Livermore-forskere.

Et hold af laboratorieforskere rapporterer resultaterne i den seneste udgave af Optik Express , offentliggjort online den 15. maj. Denne nye metode – Diode-based Additive Manufacturing (DiAM) – bruger kraftige arrays af laserdioder, en Q-switched laser og en specialiseret lasermodulator udviklet til NIF til at flashprinte et helt lag metalpulver ad gangen, i stedet for rasterscanning med en laser på tværs af hvert lag, som med konventionelle laserbaserede PBFAM-systemer (fusion additive manufacturing).

Resultatet, forskere sagde, er muligheden for, at store metalgenstande kan udskrives på en brøkdel af den tid, der kræves for metal 3-D printere på markedet i dag, udvidelse af muligheder for industrier, der kræver større metaldele, såsom rumfart og bilindustrien. Kombinationen af ​​hastighed og grad af designfleksibilitet, der gives gennem DiAM-metoden, holdet konkluderede, er potentielt "langt udover" den for nuværende fusionsbaserede pulverbedsystemer.

"Ved at reducere udskrivningstiden og have evnen til at opskalere, denne proces kan revolutionere fremstillingen af ​​metaladditiv, " sagde Ibo Matthews, en LLNL-videnskabsmand, der leder forskningen og papirets hovedforfatter. "Belysningstidsbesparelser, vi vurderer, er sådan, at en bygning på én kubikmeter, der ville kræve 10 års rasterscannet belysning at lave, kun ville kræve et par timer med DiAM, fordi du kan afbilde hvert lag på én gang. Udskrivning med et gråtonet billede kan også give dig mulighed for at reducere resterende spænding, fordi du kan skræddersy de termiske spændinger rumligt og tidsmæssigt."

Processens "magi" Matthews sagde, er implementeringen af ​​en tilpasset lasermodulator kaldet en Optically Addressable Light Valve (OALV), som indeholder en flydende krystalcelle og fotoledende krystal i serie. Meget ligesom en flydende krystal-baseret projektor, forskere forklarede, OALV bruges til dynamisk at forme laserlyset med høj effekt i henhold til forprogrammerede lag-for-lag-billeder. Men i modsætning til en konventionel flydende krystal projektor, OALV er ikke-pixeleret og kan håndtere høje lasereffekter.

Teknologien blev oprindeligt designet til og installeret i NIF som en del af LEOPARD-systemet (Laser Energy Optimization by Precision Adjustments to the Radiant Distribution), som blev indsat i 2010 og vandt en R&D 100-pris i 2012. I NIF, OALV bruges til at optimere profilen af ​​laserstrålerne og lokalt skygge og beskytte optik udsat for højere intensiteter og fluenser (eller energitæthed - mængden af ​​laserenergi for en given enhedsareal). Med LEOPARD, NIF beskytter elektronisk områder af sine stråler, der indeholder potentielt truende fejl på dens endelige optik, som identificeret af FODI-systemet (Final Optics Damage Inspection). Dette gør det muligt for NIF at fortsætte med at skyde, indtil tidsplanen tillader, at optikken fjernes, repareret og genindført i beamline.

Holdet, der først demonstrerede, at lysventilen kunne bruges til udskrivning af dele, blev oprindeligt ledet af James DeMuth, en tidligere LLNL-forsker. John Heebner, LLNL videnskabsmanden, der ledede udviklingen af ​​OALV, beskrev dets brug i metal 3-D print som en "naturlig synergi."

"DiAM-projektet kombinerer to teknologier, som vi har været banebrydende i laboratoriet - højeffekt laserdiode arrays og OALV, " sagde Heebner. "I betragtning af at vi bruger al denne tid og udvikling i denne lysventil, det blev en naturlig forlængelse at anvende det på dette projekt. Vi gennemgik nogle beregninger, og det var klart fra starten, at det ville fungere (med 3-D print). Evnen til at ændre en seriel proces til en parallel proces er afgørende for at sikre, at når dele øges i kompleksitet eller størrelse, kan mønsterproceshastigheden øges for at indhente det."

Udover evnen til potentielt at producere større dele, Brug af en sådan ventil resulterer i billedkvalitet, der konkurrerer med og kan overgå nutidens metal 3-D printere, og evnen til at finjustere gradienter i det projicerede billede betyder bedre kontrol over resterende stress og materialemikrostruktur, sagde forskere.

Med DiAM-udskrivning, laserlyset stammer fra et sæt af fire diode laser arrays og en nanosekund pulseret laser. Det passerer gennem OALV, som mønstrer et billede af et todimensionelt "udsnit" af den ønskede 3D-del. Billederne går fra en digital computerfil til laseren i en to-trins flydende krystal-modulationsproces. I første fase, billederne er hentet fra en digitaliseret CAD-model og trykt på en laveffekt blå LED-kilde ved hjælp af en alm. pixeleret flydende krystal projektor. I anden fase, de blå billeder aktiverer OALV's fotoledende lag og skaber lokale ledende pletter (hvor der er blåt lys), der overfører spænding til dets flydende krystallag. Dette gør det muligt for laveffekt blå billeder at modulere højeffekt laserstrålen. Strålen rettes derefter mod et byggeplan, udskrivning af hele metallaget på én gang. Til studiet, forskerne brugte tinpulver, med succes demonstrere udskrivningen af ​​to små 3-D-modeller, et pumpehjul (en lille turbinebladstruktur) og LLNL-logo.

Mens fremskyndelse af metaladditivprocessen var en hoveddrivkraft for at forfølge teknologien på LLNL, den større byggestørrelse kan potentielt have betydelig værdi for laboratoriets kerneopgave med lagerforvaltning, sagde forskerne. Laserdioderne - som giver det meste af energien sammenlignet med det pulserende lasersystem - er også billige i indkøb, så et sådant system ville være mere omkostningseffektivt end fiberlaserbaserede maskiner på markedet i dag.