Laserpoederbedfusie is een dominante technologie voor additieve productie die zijn potentieel nog moet bereiken. Het probleem waarmee de industrie wordt geconfronteerd, is dat er zich tijdens het drukproces soms kleine belletjes of poriën vormen, en deze poriën creëren zwakke plekken in afgewerkte producten.

Wanneer een lage snelheid, high-power laser smelt metaalpoeder tijdens het 3D printen van een onderdeel, een sleutelgatvormige holte in het smeltbad kan het gevolg zijn. poriën, d.w.z. gebreken, vorm aan de onderkant van het sleutelgat. Nieuw onderzoek gepubliceerd in Wetenschap onthult hoe de poriën worden gegenereerd en defecten worden die gevangen zitten in stollend metaal.

"De echte praktische waarde van dit onderzoek is dat we nauwkeurig kunnen zijn in het besturen van de machines om dit probleem te voorkomen, " zegt Anthony D. Rollett, een professor in materiaalkunde en engineering aan het Carnegie Mellon College of Engineering en een hoofdco-auteur van het artikel, "Kritische instabiliteit bij bewegende sleutelgatpunt genereert porositeit bij lasersmelten."

Voortbouwend op eerder onderzoek dat het sleutelgatfenomeen kwantificeerde, het onderzoeksteam gebruikte extreem heldere röntgenbeelden met hoge energie om de instabiliteit van het sleutelgat te bekijken. Poriën vormen zich tijdens schommelingen van het sleutelgat, en het verandert van vorm:de punt van het sleutelgat verandert in een "J" -vorm en knijpt af. Dit onstabiele gedrag genereert akoestische golven in het vloeibare metaal die de poriën wegduwen van het sleutelgat, zodat ze lang genoeg overleven om vast te komen te zitten in het opnieuw stollende metaal. Het team is de eerste die zich op dit gedrag richt en identificeert wat er aan de hand is.

"Als je een diep sleutelgat hebt, de muren oscilleren sterk. Zo nu en dan, de trillingen zijn sterk genoeg aan de onderkant van het sleutelgat om af te knijpen, laat een grote bel achter. Soms maakt deze bubbel nooit opnieuw verbinding met het hoofdsleutelgat. Het stort in en genereert een akoestische schokgolf. Dit duwt de resterende poriën weg van het sleutelgat, ", legt Rollett uit.

Het is belangrijk op te merken dat sleutelgaten zelf geen gebreken zijn en, bijv. ze verhogen de efficiëntie van de laser. Met behulp van synchrotron röntgenapparatuur bij Argonne National Laboratories, de enige faciliteit in de Verenigde Staten waar de onderzoekers deze experimenten konden uitvoeren, ze merkten op dat er een duidelijk gedefinieerde grens is tussen stabiele en onstabiele sleutelgaten.

"Zolang je uit de gevarenzone blijft [d.w.z. te heet, te traag], het risico op het achterlaten van defecten is vrij klein, ' zegt Rollet.

Fluctuaties in de diepte van het sleutelgat nemen sterk toe met afnemende scansnelheid en laservermogen aan de onstabiele kant van de grens.

"Je kunt de grens zien als een snelheidslimiet, behalve dat het het tegenovergestelde is van autorijden. In dit geval, het wordt gevaarlijker naarmate je langzamer gaat. Als je onder de snelheidslimiet rijdt, dan genereer je vrijwel zeker een defect, ", voegt Rollett eraan toe.

Op grotere schaal, door het bestaan ​​van goed gedefinieerde porositeitsgrenzen van het sleutelgat aan te tonen en het vermogen om deze te reproduceren aan te tonen, wetenschap kan een veiligere basis bieden voor het voorspellen en verbeteren van printprocessen. Rollet, die de facultaire mededirecteur is van Carnegie Mellon's Next Manufacturing Center, denkt dat de bevindingen uit dit onderzoek snel hun weg zullen vinden naar hoe bedrijven hun 3D-printers bedienen.