Additieve fabricage (AM, ook bekend als 3D-printen) stelt ons in staat om ongelooflijk complexe vormen te creëren, wat met traditionele fabricagetechnieken niet mogelijk zou zijn. Echter, objecten die met AM zijn gemaakt, hebben andere eigenschappen dan traditionele productieroutes, wat soms een nadeel is.

Laser additive manufacturing (LAM) gebruikt een laser om metalen, keramiek of andere poeders in complexe 3D-vormen, laag voor laag. De afkoelsnelheden zijn extreem snel, en omdat ze anders zijn dan conventionele processen, kennen we de optimale omstandigheden niet om de beste eigenschappen te verkrijgen, het vertragen van de opname van LAM bij de productie van veiligheidskritieke technische constructies, zoals turbinebladen, energieopslag en biomedische apparaten. We hebben een methode nodig om in het proces van LAM te kijken om de laser-materie-interactie en poederconsolidatiemechanismen beter te begrijpen en te optimaliseren.

Gevestigd in het onderzoekscomplex in Harwell, een team van onderzoekers heeft samengewerkt met wetenschappers van I12, de Joint Engineering Environment Processing (JEEP) beamline en de Central Laser Facility om een ​​laser additive manufacturing machine te bouwen die werkt op een beamline, zodat u in het hart van het proces kunt kijken, het onthullen van de onderliggende fysieke verschijnselen tijdens LAM.

Professor Peter Lee van de Universiteit van Manchester, die het project leidt legt uit:"Het LAM-proces is erg snel, die plaatsvinden in milliseconden, en om te onderzoeken hebben we een resolutie van microseconden nodig, wat alleen kan worden bereikt met de schittering van een synchrotron. Het stelt ons in staat om het proces te volgen van poeder, door smelten en vervolgens stollen terug in de uiteindelijke vaste vorm. Op JEEP onderzoeken we de superlegeringen die worden gebruikt in vliegtuigmotoren, en we hebben de hoge energie nodig, harde röntgenstralen die daar worden geproduceerd om erin te kijken."

ter plaatse, in operando röntgenradiografie

Voor dit onderzoek is het team creëerde een nieuwe LAM-procesreplicator, de LAMPR, waardoor ze de vorming van het smeltspoor kunnen afbeelden en kwantificeren terwijl de lagen tijdens AM worden afgedrukt. De LAMPR is ontworpen om op de bundellijn te passen en bootst een commercieel LAM-systeem na, met vensters die transparant zijn voor röntgenstralen, waardoor wetenschappers recht in het hart van het LAM-proces kunnen kijken terwijl het plaatsvindt. Ze gebruikten röntgenradiografie met een hoge temporele en ruimtelijke resolutie om de belangrijkste mechanismen van laser-materie-interactie en poederconsolidatie tijdens LAM bloot te leggen, inclusief de vorming en evolutie van smeltsporen, spatten patronen, de ontblote zone (een poedervrije zone) en porositeit in de afgezette lagen. De in de tijd opgeloste kwantificering van de porie- en spatbewegingen gaf cruciale informatie over hun stroomsnelheden en richting, die met andere technieken niet te verkrijgen zijn.

"De LAMPR is een uniek apparaat, en bundellijnondersteuning was absoluut essentieel. Vanaf het formuleren van het voorstel hebben we met Diamond-medewerkers samengewerkt. Diamond hielp met het mechanische ontwerp, en de optica en de integratie van de LAMPR in de besturingssystemen", zegt dr. Alex Leung, de PDRA die de experimenten leidt.

De resultaten van deze experimenten verduidelijken aspecten van de fysica die ten grondslag ligt aan LAM, die cruciaal zijn voor de ontwikkeling ervan. De vorige hypothese was dat de vorming van oppervlakteporositeit op afgewerkte objecten te wijten was aan onvolledig smelten of onvoldoende vloeistoftoevoer. Echter, dit onderzoek toont aan dat het wordt gevormd via een poriënbarstend mechanisme. Poriën aan de oppervlakte ontsnappen naar de atmosfeer, een oppervlakkige depressie achterlatend.

Verder, de resultaten van het team laten zien dat het continue spoor van gesmolten materiaal vaak plaatsvindt via voorsmelten vóór het hoofdspoor, aangedreven door oppervlaktespanning (Marangoni-stroom), voordat u opgaat in het hoofdspoor. Metaaldamp en verhitting van inert gas is een potentiële bron van defecten, vormt een pluim die poeder en gesmolten druppeltjes van het hoofdspoor afstoot.

Door verschillende procesomstandigheden te bestuderen, de LAMPR stelde het team in staat om een ​​proceskaart te maken die illustreert hoe het LAM-proces kan worden afgesteld om een ​​kwaliteitsproduct te produceren met minimale vallen en opstaan. In tegenstelling tot een traditionele proceskaart, synchrotron-beeldvorming produceert een mechanismekaart, die de fundamentele fysica onthult die het procesvenster beperkt. Hierdoor kan de legering, omstandigheden of zelfs het proces dat moet worden gewijzigd om de beperkingen te overwinnen en een efficiëntere verwerkingsomgeving te verkrijgen.

Deze methodologie werpt nieuw licht op de mechanismen van porievorming, inclusief de migratie, ontbinding, spreiding, en barsten van de poriën tijdens LAM, en toekomstig onderzoek op deze gebieden zal ons fundamentele begrip van de aard van de interactie tussen laser en materie verdiepen.