De toevoeging van een nieuwe infraroodcamera bij Argonne's Advanced Photon Source verkleint de kloof tussen fundamenteel en toegepast onderzoek in additive manufacturing.

Een van de grootste uitdagingen voor de 3D-printindustrie is hoe de reproduceerbaarheid van onderdelen van hoge kwaliteit kan worden gegarandeerd. Zonder beter inzicht in het opsporen en stoppen van defecten, de technologie heeft beperkingen bij het produceren van basisonderdelen.

Dat broodnodige inzicht is nu binnen handbereik van industrieel ontwerpers, dankzij een nieuwe tool die beschikbaar is voor de industrie en onderzoekers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE). De installatie van een infraroodcamera op de hoogenergetische röntgenbron bij Argonne's Advanced Photon Source, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit, stelt onderzoekers in staat om in realtime thermische handtekeningen over oppervlakken te meten.

Argonne was het eerste Amerikaanse nationale laboratorium dat een metalen 3D-printapparaat integreerde in een bundellijn, of fotonenpad, voor röntgendiagnostiek. Het is ook het enige nationale laboratorium dat het metaalpoeder in minder dan een nanoseconde kan zien smelten in het zogenaamde "smeltbad". Het toevoegen van de hogesnelheids-infraroodcamera aan een synchrotron-bundellijn is nog een primeur, en stelt onderzoekers in staat om de depositieprocessen die plaatsvinden op een echte productievloer nauwkeuriger te repliceren.

Met de gecombineerde diagnosetools kunnen de industrie en onderzoekers röntgenfoto's maken op 1 000, 000 frames per seconde en warmtebeelden bij 100, 000 frames per seconde tijdens de 3D-printprocessen. Dit creëert films van de vorming van belangrijke defecten veroorzaakt door instabiliteit van het smeltbad, uitwerpen van poederspatten en ongepaste scanstrategie.

Complementaire beeldvorming

Zij aan zij gebruikt met röntgenmicroscopie, snelle thermische beeldvorming kan nieuwe inzichten opleveren in hoeveel en hoe snel verschillende regio's in het onderdeel opwarmen en afkoelen tijdens de hele bouw, waarbij miljoenen laserlijnscans nodig zijn. Deze inzichten kunnen worden gebruikt om variaties in het ontwerp van onderdelen, en de efficiëntie van additieve productie voor consumentenproducten te verbeteren, verdediging, medicijn, automotive en vele andere veldtoepassingen.

"Infrarood- en röntgenbeeldvorming vullen elkaar aan, " zei de natuurkundige Tao Sun van Argonne. "Van de ene kant heb je de röntgenstralen die het monster binnendringen om je te helpen de microstructuren te zien zonder enige thermische informatie, terwijl je aan de andere kant de infraroodcamera hebt die veel thermische handtekeningen vastlegt."

Een manier waarop de infraroodcamera de röntgenbeeldvorming verbetert, is door de vorming van verdampte poederpluimen te visualiseren, die zich vormen als de laser het poeder raakt en beweegt. Deze pluimen, hoog in hitte, kan de prestaties van de laser verstoren.

Deze pluimen kunnen niet worden gezien met alleen röntgenstralen vanwege de verdampte toestand van de deeltjes, maar worden opgevangen door infrarood licht. Naast metingen met röntgenstralen, dergelijke gegevens, evenals andere belangrijke parameters, waaronder verwarmings- en koelsnelheden, kunnen worden gebruikt in modellen van 3D-printen om hun nauwkeurigheid en snelheid te verbeteren.

Een brug slaan tussen basis- en toegepaste wetenschap

Een ander belangrijk voordeel van infraroodcamera's is dat ze kunnen worden geïntegreerd in additive manufacturing-systemen, het fundamentele onderzoek van het APS dichter bij de echte gebruikers brengen.

Sun en Greco zien een toekomst waarin de gebruikers van additieve productiesystemen infraroodcamera's op hun machines kunnen bevestigen om gebruik te maken van inzichten die zijn verkregen door het koppelen van röntgen- en infraroodbeeldvorming, zoals een thermische handtekening (gevonden door middel van infraroodbeeldvorming) gecorreleerd met de vorming van een defect (vastgelegd door middel van röntgenbeeldvorming). Indien gevonden, gebruikers konden op basis van een bepaalde handtekening bepalen wanneer er defecten ontstonden in hun eigen systemen, en preventieve maatregelen nemen om het probleem te verminderen of op te lossen.

Dergelijke potentiële toepassingen liggen ver in de toekomst, Zon zei, maar illustreren de potentiële voordelen van de integratie van beide beeldvormingstechnieken.

"Niet iedereen heeft het geluk toegang te hebben tot een krachtige röntgenlichtbron zoals de APS, dus als we manieren kunnen vinden om informatie te leveren en gebruik te maken van tools waar de meeste mensen toegang toe hebben, zoals thermische camera's, kunnen we een nog grotere impact hebben op het veld, " hij zei.

De infraroodcamera bevindt zich op de 32-ID-B bundellijn van de Advanced Photon Source. De IR-camera werd gefinancierd via een LDRD-programma als onderdeel van Argonne's Manufacturing Science and Engineering Program. Bekijk hier een video over deze nieuwe technologie.