Sprængning af dine (små) bobler:ny forskning peger på vejen mod porefri 3D-print

Ny forskning udført ved Advanced Photon Source (APS) viser, at 3D-print af metalkomponenter uden de porer, der svækker deres strukturelle integritet, ikke kun er muligt, men behøver ingen yderligere enheder for at realisere.

Additiv fremstillings store fordel er bekvemmeligheden ved at fremstille geometrisk komplekse dele. Har du brug for hurtigt at designe og bygge en ny motorkomponent til et fly? Tænd 3-D-printeren og lav en. Men med den bekvemmelighed følger ofte en ulempe:3-D-printede dele er ikke så holdbare som dem, der er fremstillet gennem traditionelle fremstillingsprocesser, og vil ikke holde sig under gentagne belastninger over tid.

Et team af forskere kan nu have svaret på det problem. Endnu bedre, deres afgørende opdagelse kræver ikke redesign og opdatering af 3-D-printmaskiner. Forskere siger, at det kan lade sig gøre med den teknologi, vi allerede har.

Additiv fremstilling, almindeligvis kaldet 3-D print, har været en realitet i næsten 40 år. Denne proces transformerer computermodeller af, godt, alt i fuldt realiserede 3D-strukturer lavet af plastik, metaller eller andre materialer. Som en del af processen, imidlertid, mikroskopiske porer finder vej ind i det færdige produkt, svække den strukturelle integritet. Eliminering af disse porer fra 3-D-printede metaldele er nøglen til at fremme teknologien til mere nyttige applikationer.

Som enhver videnskabsmand vil fortælle dig, det første skridt mod at løse et problem er at få et godt overblik over, hvad der forårsager det. Forskere har brugt Advanced Photon Source (APS), en US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility placeret på DOE's Argonne National Laboratory, at studere den additive fremstillingsproces siden 2015. APS genererer intenst klare røntgenstråler, som kan trænge ind i metaldelene, at tage billeder, da metallet er formet af pulver i realtid.

"APS giver en måde at se ting på, som vi ikke kunne før, " sagde Kamel Fezzaa, en fysiker i Argonnes røntgenvidenskabsafdeling, der fører tilsyn med højhastighedsbilleddannelsesprogrammet ved APS beamline 32-ID-B. "I stedet for at bruge statiske prøver efter udskrivningen er færdig, vi er i stand til at se inde i processen, mens den sker."

Den proces kaldes laserpulverbedfusion, og det involverer brug af højeffektlasere til at smelte og smelte pulveriseret materiale sammen. Ved at bruge en laser-og-pulver-opsætning ved APS, et team af forskere dokumenterede dannelsen og den efterfølgende bevægelse af porer - mange mindre end bredden af ​​et menneskehår - i smeltebassinet. Holdet blev ledet af Lianyi Chen, tidligere ved Missouri University of Science and Technology og nu ved University of Wisconsin-Madison, og Tao Sun, tidligere fra Argonnes afdeling for røntgenvidenskab og nu ved University of Virginia.

APS tillod dem at fange 135, 776 billeder i sekundet, hvert billede varer mindre end et mikrosekund, og resultatet var det mest detaljerede kig på den additive fremstillingsproces, der nogensinde er set.

"APS har den bedste evne til at udføre denne type undersøgelse, " sagde Sun. "Det ville være umuligt at gøre dette ved en laboratoriebaseret røntgenkilde. Vi undersøger en meget dynamisk proces, og APS tilbyder os tidsopløsning på nanosekundniveau."

Hvad dette forskerhold fandt, overraskede selv dem. I et blad udgivet i Naturkommunikation , gruppen beskrev de tre kræfter, der virker på porerne i smeltebassinet:opdrift, som skulle tvinge gassen op og ud af smelteområdet; smeltestrømsmodstand, som skulle hvirvle gassen rundt i den smeltede pool; og termokapillær kraft, som driver porerne til at bevæge sig langs temperaturgradienten.

Af disse tre kræfter de opdagede, at den termokapillære kraft i et bestemt område af den smeltede pool udøver størst indflydelse på, hvor porerne endte. Modstanden skabt af det smeltende flydende metal er anden, hvilket betyder, at disse gaslommers naturlige tendens til at bevæge sig opad og ud af smelteområdet blev imødegået.

"Vi forventede ikke disse resultater, " sagde Chen. "Når laseren rammer materialet, porerne bevæger sig hurtigt ud af smeltebassinet i laserinteraktionsområdet."

Holdet fandt ud af, at det er den temperaturgradient-inducerede termokapillære kraft, der trækker porerne ud, Chen forklarede, så blot at udøve mere kontrol over temperaturgradienten under selve 3-D-printningsprocessen kan flytte disse porer uden for smelteområdet, sikre, at den resulterende metaldel er porefri.

"Dette er ikke en kraft, som folk tænkte på før, " sagde Sun. "Men vi kan bruge denne kraft til at fjerne alle porerne i en trykt komponent."

Ved at bruge denne teknik, forskere siger, bør være muligt med eksisterende 3-D-printudstyr. Styring af laserens kraft og hastighed, og justering for forskellige typer materiale, skal give producenterne mulighed for at finde de rigtige forhold til at forme den termiske kraft, mens laseren udfører sit arbejde.

Det ville kræve noget forsøg og fejl, Fezzaa sagde, men det bør ikke kræve en ekstra enhed for at fjerne porer fra det færdige produkt.

"Dette er et proof of concept, " sagde Fezzaa. "En af hovedudfordringerne i 3D-print er at gøre det lige så pålideligt som traditionel fremstilling, og hvis dette koncept kunne bruges som et effektivt værktøj i et rigtigt 3-D system, det ville være et kæmpe spring fremad for den additive fremstillingsindustri."