Onderzoekers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hebben een veelbelovende stap gezet in het verbeteren van de betrouwbaarheid van lasergebaseerde metalen 3D-printtechnieken door de emissie van elektronen van het oppervlak van roestvrij staal tijdens laserverwerking te meten.

Onderzoekers verzamelden thermionische emissiesignalen van 316L roestvrij staal onder laserpoederbedfusie (LPBF)-omstandigheden met behulp van een aangepaste, testbedsysteem en een huidige voorversterker die de stroom van elektronen tussen het metalen oppervlak en de kamer heeft gemeten. Vervolgens gebruikten ze de gegenereerde thermionische emissie om de dynamiek te identificeren die wordt veroorzaakt door laser-metaalinteracties. Het journaal Communicatiematerialen publiceerde het werk online op 27 november.

Het team zei dat de resultaten het potentieel illustreren voor thermionische emissiedetectie om lasergestuurde verschijnselen te detecteren die defecten in onderdelen kunnen veroorzaken, optimaliseer bouwparameters en verbeter de kennis van het LPBF-proces terwijl het bestaande diagnostische mogelijkheden aanvult. Onderzoekers zeiden dat het vermogen om thermische emissie van elektronen vast te leggen, het basisbegrip van de interactiedynamiek tussen laser en materiaal die betrokken is bij het LPBF-proces zal helpen bevorderen en de bredere gemeenschap van technologische rijping zal ondersteunen bij het opbouwen van vertrouwen in onderdelen die met behulp van de techniek zijn gemaakt.

"Het produceren van defectvrije onderdelen is een grote hindernis voor de wijdverbreide commerciële acceptatie van metaaladditieve fabricage (AM), "Zei hoofdonderzoeker Aiden Martin. "Onderzoekers van LLNL hebben dit probleem aangepakt door processen en diagnostische hulpmiddelen te ontwikkelen om de betrouwbaarheid van metaal AM te verbeteren. Deze nieuwe methodologie vormt een aanvulling op deze bestaande diagnostische hulpmiddelen om ons begrip van het 3D-printproces te vergroten. Onze volgende stappen zijn om deze technologie uit te breiden tot een sensor die werkt op een volledig LPBF-systeem om het vertrouwen in de kwaliteit van de gebouwde onderdelen te vergroten."

Onderzoekers zeiden dat hoewel er veel onderzoek is gedaan om te begrijpen en te meten hoe onderdelen worden afgedrukt met LPBF door middel van optische beeldvorming, Röntgenfoto's of het meten van thermische of akoestische signaalemissies, thermionische emissie is over het hoofd gezien. Maar door de elektronen te observeren en te analyseren die worden uitgezonden tijdens laserverwerking, Laboratoriumonderzoekers toonden aan dat ze een toename van de thermionische emissie konden koppelen aan oppervlaktetemperatuur en laserscancondities die porievorming en defecten aan onderdelen veroorzaken.

Door experimentele gegevens en simulatie, onderzoekers meldden dat het thermionische emissiesignaal exponentieel toenam, en de diepte van het smeltbad nam lineair toe, met lokale energiedichtheid, het aantonen van de "kritische afhankelijkheid" van de oppervlaktetemperatuur van het metaal op thermionische emissies en het nut van het gebruik van thermionische signalen als een manier om laserfocus in LPBF te optimaliseren.

"Elektronenemissie bij de productie van metalen additieven wordt over het algemeen over het hoofd gezien door de gemeenschap, en we waren verheugd om zijn extreme gevoeligheid voor procesomstandigheden te observeren, "zei eerste auteur en LLNL-ingenieur Phil DePond.

De observaties van het team onthulden dat plasmavorming tijdens het LPBF-proces, die ze eerder toeschreven aan de ionisatie van verdampt metaal door de laserstraal, kan ook worden veroorzaakt door elektronen die van het metalen oppervlak in de argongasatmosfeer worden uitgestoten en in wisselwerking staan ​​met de laser.

Onderzoekers zeiden dat de hoge gevoeligheid van thermionische emissie voor oppervlaktetemperatuur en oppervlaktemorfologie hen in staat stelt om het exacte overgangspunt tussen geleiding en sleutelgatvorming te bepalen, wat resulteert in porievorming in delen. Ze concludeerden dat de resultaten aantonen dat thermionische signalen effectief kunnen worden gebruikt met traditionele LPBF-gegevensverzamelings- en verwerkingsmethoden, wetenschappelijke kennis van interacties tussen laser en materiaal verbeteren en vaststellen waar defecten kunnen optreden.

Breder, het werk "vertegenwoordigt een belangrijke stap in de richting van het opzetten van effectieve in-situ monitoringmogelijkheden die de kwalificatie en certificering van LPBF-componenten kunnen versnellen, " zei co-auteur en leider van de Laser Material Interaction Science Group Manyalibo "Ibo" Matthews.