Forskere måler elektronemission for at forbedre forståelsen af ​​laserbaseret 3-D-tryk i metal

Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskere har taget et lovende skridt i at forbedre pålideligheden af ​​laserbaserede 3-D-printteknikker af metal ved at måle emission af elektroner fra overfladen af ​​rustfrit stål under laserbehandling.

Forskere indsamlede termioniske emissionssignaler fra 316L rustfrit stål under laserpulverbedfusion (LPBF) betingelser ved hjælp af en brugerdefineret, testbed -system og en nuværende forforstærker, der målte elektronstrømmen mellem metaloverfladen og kammeret. Derefter brugte de den genererede termioniske emission til at identificere dynamik forårsaget af laser-metal-interaktioner. Tidsskriftet Kommunikationsmaterialer publicerede værket online den 27. november.

Teamet sagde, at resultaterne illustrerer potentialet for termionisk emissionsføling til at detektere laserdrevne fænomener, der kan forårsage defekter i dele, optimere byggeparametre og forbedre kendskabet til LPBF -processen, samtidig med at de eksisterende diagnostiske muligheder suppleres. Forskere sagde, at evnen til at fange termisk emission af elektroner vil hjælpe med at fremme den grundlæggende forståelse af laser-materiale-interaktionsdynamikken, der er involveret i LPBF-processen, og understøtte det bredere teknologimodningssamfund i at opbygge tillid til dele, der er skabt ved hjælp af teknikken.

"Fremstilling af fejlfrie dele er en stor hindring for udbredt kommerciel anvendelse af metaladditiv fremstilling (AM), "sagde hovedforsker Aiden Martin." LLNL -forskere har taget fat på dette problem ved at udvikle processer og diagnostiske værktøjer til at forbedre pålideligheden af ​​metal AM. Denne nye metode supplerer disse eksisterende diagnostiske værktøjer for at øge vores forståelse af 3D-udskrivningsprocessen. Vores næste trin er at udvide denne teknologi til en sensor, der fungerer på et LPBF-system i fuld skala for at øge tilliden til kvaliteten af ​​de byggede dele. "

Forskere sagde, at mens der er foretaget betydelig forskning for at forstå og måle, hvordan dele udskrives med LPBF gennem optisk billeddannelse, Røntgenstråler eller måling af termiske eller akustiske signalemissioner termionisk emission er blevet overset. Men ved at observere og analysere de elektroner, der udsendes under laserbehandling, Laboratorieforskere demonstrerede, at de kunne binde stigninger i termionisk emission til overfladetemperatur og laserscanningsforhold, der forårsager poredannelse og delfejl.

Gennem eksperimentelle data og simulering, forskere rapporterede, at det termioniske emissionssignal steg eksponentielt, og smeltebassindybden øges lineært, med lokal energitæthed, demonstrere den "kritiske afhængighed" af metalets overfladetemperatur på termioniske emissioner og nytten af ​​at bruge termioniske signaler som en måde at optimere laserfokus i LPBF.

"Elektronemission i metaladditiv fremstilling er generelt blevet overset af samfundet, og vi var spændte på at observere dens ekstreme følsomhed over for procesbetingelser, "sagde første forfatter og LLNL -ingeniør Phil DePond.

Teamets observationer afslørede, at plasmadannelse under LPBF -processen, som de tidligere tilskrev ioniseringen af ​​fordampet metal af laserstrålen, også kunne være forårsaget af elektroner, der skubber ud fra metaloverfladen til argongasatmosfæren og interagerer med laseren.

Forskere sagde, at den høje følsomhed af termionisk emission til overfladetemperatur og overflademorfologi giver dem mulighed for at bestemme det nøjagtige overgangspunkt mellem ledning og nøglehulsdannelse, hvilket resulterer i poredannelse i dele. De konkluderede, at resultaterne viser, at termioniske signaler effektivt kan bruges med traditionelle LPBF -dataindsamlings- og behandlingsmetoder, forbedre videnskabelig viden om laser-materiale interaktioner og identificere, hvor defekter kan opstå.

Mere generelt, arbejdet "repræsenterer et vigtigt skridt mod at etablere effektive in situ -overvågningskapaciteter, der kan fremskynde kvalificering og certificering af LPBF -komponenter, "sagde medforfatter og Laser Material Interaction Science Group Leader Manyalibo" Ibo "Matthews.