En vej til at undgå defekter under additiv fremstilling

Laserpulverbedfusion er en dominerende additiv fremstillingsteknologi, som endnu ikke har nået sit potentiale. Industriens problem er, at der undertiden dannes små bobler eller porer under trykprocessen, og disse porer skaber svage pletter i færdige produkter.

Når en langsom hastighed, højeffektlaser smelter metalpulver under 3D-printning af en del, kan der opstå et nøglehulsformet hulrum i smeltebassinet. porer, dvs. fejl, form i bunden af ​​nøglehullet. Ny forskning offentliggjort i Videnskab afslører, hvordan porerne dannes og bliver til defekter fanget i størknende metal.

"Den virkelige praktiske værdi af denne forskning er, at vi kan være præcise med hensyn til at styre maskinerne for at undgå dette problem, "siger Anthony D. Rollett, en professor i materialevidenskab og ingeniørvidenskab ved Carnegie Mellon College of Engineering og en ledende medforfatter af papiret, "Kritisk ustabilitet ved bevægelig nøglehulsspids genererer porøsitet ved lasersmeltning."

Med udgangspunkt i tidligere forskning, der kvantificerede nøglehulsfænomenet, forskerholdet brugte ekstremt lysstærkt højenergi røntgenbillede til at se ustabiliteterne i nøglehullet. Porer dannes under udsving i nøglehullet, og den ændrer sin form:Nøglehulsspidsen omdannes til en "J"-form og klemmer af. Denne ustabile adfærd genererer akustiske bølger i det flydende metal, der tvinger porerne væk fra nøglehullet, så de overlever længe nok til at blive fanget i det genstørknede metal. Holdet er det første til at fokusere på denne adfærd og identificere, hvad der sker.

"Når du har et dybt nøglehul, væggene svinger kraftigt. Lejlighedsvis, svingningerne er stærke nok i bunden af ​​nøglehullet til at de klemmer af, efterlader en stor boble. Nogle gange forbindes denne boble aldrig til hovednøglehullet igen. Det kollapser og genererer en akustisk chokbølge. Dette skubber de resterende porer væk fra nøglehullet, " forklarer Rollett.

Det er vigtigt at bemærke, at nøglehuller i sig selv ikke er fejl, og f.eks., de øger laserens effektivitet. Ved at bruge synkrotron røntgenudstyr på Argonne National Laboratories, den eneste facilitet i USA, hvor forskerne kunne køre disse eksperimenter, de bemærkede, at der er en veldefineret grænse mellem stabil versus ustabil nøglehul.

"Så længe du holder dig uden for farezonen [dvs. for varmt, for langsomt], risikoen for at efterlade defekter er ret lille, "siger Rollett.

Udsving i nøglehullets dybde øges kraftigt med faldende scanningshastighed og lasereffekt på den ustabile side af grænsen.

"Du kan tænke på grænsen som en hastighedsbegrænsning, bortset fra at det er det modsatte af at køre bil. I dette tilfælde, det bliver mere farligt, når du går langsommere. Hvis du er under hastighedsgrænsen, så genererer du næsten helt sikkert en defekt, " tilføjer Rollett.

I en bredere skala, ved at bevise eksistensen af ​​veldefinerede nøglehulporøsitetsgrænser og demonstrere evnen til at reproducere dem, videnskab kan tilbyde et mere sikkert grundlag for at forudsige og forbedre udskrivningsprocesser. Rollett, som er fakultetsmeddirektør for Carnegie Mellon's Next Manufacturing Center, mener, at resultaterne fra denne forskning hurtigt vil finde vej til, hvordan virksomheder betjener deres 3-D-printere.