Hoewel lasergebaseerde 3D-printtechnieken een revolutie teweeg hebben gebracht in de productie van metalen onderdelen door de ontwerpcomplexiteit aanzienlijk te vergroten, de laserstralen die traditioneel worden gebruikt bij het printen van metaal hebben nadelen die kunnen leiden tot defecten en slechte mechanische prestaties.

Onderzoekers van het Lawrence Livermore National Laboratory pakken het probleem aan door alternatieve vormen te onderzoeken voor de Gauss-bundels die gewoonlijk worden gebruikt in krachtige laserprintprocessen zoals laserpoederbedfusie (LBPF). In een paper gepubliceerd door wetenschappelijke vooruitgang , onderzoekers experimenteerden met exotische optische bundelvormen die bekend staan ​​als Bessel-bundels - die doen denken aan roospatronen - die een aantal unieke eigenschappen bezitten, zoals zelfherstellend en niet-diffractie. Ze ontdekten dat de toepassing van dit soort balken de kans op porievorming en "keyholing, " een porositeit-inducerend fenomeen in LPBF verergerd door het gebruik van Gauss-stralen. Het werk is te zien op de omslag van het tijdschrift op 17 september.

LLNL-onderzoekers zeiden dat het werk aangeeft dat alternatieve vormen zoals Bessel-stralen de belangrijkste zorgen in de LBPF-techniek zouden kunnen wegnemen - de grote thermische gradiënt en complexe smeltbadinstabiliteiten die optreden waar de laser het metaalpoeder ontmoet. De problemen worden voornamelijk veroorzaakt door Gauss-bundelvormen die het meest standaard, high-power lasersystemen produceren doorgaans.

"Het gebruik van Gauss-stralen lijkt veel op het gebruik van een vlammenwerper om je eten te koken; je hebt niet veel controle over hoe warmte wordt afgezet rond het materiaal, " zei hoofdauteur en LLNL-onderzoeker Thej Tumkur Umanath. "Met een Bessel-straal, het feit dat we een deel van die energie weg van het centrum herverdelen, betekent dat we thermische profielen kunnen ontwerpen en thermische gradiënten kunnen verminderen om microstructurele korrelverfijning te bevorderen en, uiteindelijk, resulteren in dichtere delen en gladdere oppervlakken."

Tumkur, die ook een eerste prijs won op de Postdoc Research Slam 2019 van LLNL! concurrentie voor het werk, genoemde Bessel-stralen breiden de ruimte van de laserscanparameter aanzienlijk uit ten opzichte van traditionele Gauss-straalvormen. Het resultaat is ideale smeltbaden die niet te ondiep zijn en geen last hebben van keyholing - een fenomeen waarbij de laser een sterke damp creëert en een diepe holte in het metalen substraat veroorzaakt tijdens het bouwen, zoals LLNL-onderzoekers eerder hebben gevonden. Keyholing creëert bellen in het smeltbad die poriën vormen en leidt tot verminderde mechanische prestaties in afgewerkte onderdelen.

Een ander nadeel van conventionele bundels is dat ze vatbaar zijn voor diffractie (spreiding) terwijl ze zich voortplanten. Bessel-bundels zorgen voor een grotere scherptediepte vanwege hun niet-diffractieve eigenschappen. Bijgevolg, de auteurs stelden een verhoogde tolerantie vast voor de plaatsing van het werkstuk ten opzichte van het brandpunt van de laser met behulp van Bessel-stralen. Plaatsing is een uitdaging voor industriële systemen die vaak afhankelijk zijn van dure en gevoelige technieken voor het positioneren van een lopende build binnen de focusdiepte van de gefocusseerde bundel telkens wanneer een laag metaalpoeder wordt afgezet.

"Bessel-stralen zijn op grote schaal gebruikt in beeldvorming, microscopie en andere optische toepassingen vanwege hun niet-diffractieve en zelfherstellende eigenschappen, maar straalvormtechnische benaderingen zijn vrij ongebruikelijk in op laser gebaseerde productietoepassingen, " legde Tumkur uit. "Ons werk richt zich op de schijnbare discrepantie tussen optische fysica en materiaaltechnologie in de metaaladditievenproductiegemeenschap door designerbundelvormen op te nemen om controle te krijgen over de dynamiek van smeltbaden."

Het LLNL-team vormde de bundels door de laser door twee conische lenzen te leiden om een ​​donutvorm te produceren, voordat het door extra optica en een scanner wordt geleid om "ringen" rond de centrale straal te creëren. Geïnstalleerd in een commerciële drukmachine in het Advanced Manufacturing Laboratory van LLNL, de onderzoekers gebruikten de experimentele opstelling om kubussen en andere vormen te printen uit roestvrij staalpoeder.

Door middel van high-speed beeldvorming, onderzoekers bestudeerden de dynamiek van het smeltbad, het waarnemen van een aanzienlijke vermindering van de turbulentie van het smeltbad en vermindering van "spetters" - de gesmolten metaaldeeltjes die tijdens het bouwen van het pad van de laser vliegen - wat over het algemeen leidt tot porievorming.

In mechanische studies en simulaties, het team ontdekte dat onderdelen die met Bessel-balken waren gebouwd, dichter waren, sterker en had meer robuuste trekeigenschappen dan constructies gebouwd met conventionele Gauss-balken.

"De industrie heeft lang gezocht naar de mogelijkheid om de controle over het LPBF-proces te vergroten om defecten te minimaliseren, " zei Ibo Matthews, hoofdonderzoeker van het project voordat hij leider van de Materials Science Division van LLNL werd. "De introductie van een complexe structuur aan de laserstraal voegt meer flexibiliteit toe om de interactie tussen laser en materiaal nauwkeurig te regelen, warmtedepositie en uiteindelijk de kwaliteit van de prints."

LLNL-computerwetenschapper Saad Khairallah gebruikte de door LLNL ontwikkelde multifysica-code ALE3D om de interactie van zowel Gauss- als Bessel-straallaservormen met enkele sporen van metaalpoedermateriaal te simuleren. Door de resulterende tracks te vergelijken, het team ontdekte dat de Bessel-straal verbeterde thermische gradiënten vertoonde ten opzichte van Gauss-stralen, betere vorming van microstructuren aanmoedigen. Ze bereikten ook een betere energieverdeling met Bessel-balken, het vermijden van de "hot spot" generatie gevonden in Gauss-bundels, die diepe smeltpoelen produceren en poriën vormen.

"Met simulaties kun je een gedetailleerde diagnostiek krijgen van de fysica die plaatsvindt en daardoor kun je de fundamentele mechanismen achter onze experimentele bevindingen begrijpen, ' zei Khairallah.

Slechts een van de vele manieren om de kwaliteit van 3D-geprinte metalen onderdelen te verbeteren die bij LLNL worden bestudeerd, bundelvorming is een goedkopere optie dan alternatieve scanstrategieën omdat het tegen lage kosten kan worden gedaan door eenvoudige optische elementen op te nemen en de kosten en tijd kan verminderen die nodig zijn voor nabewerkingstechnieken die doorgaans nodig zijn voor onderdelen die zijn gebouwd met Gauss-bundels, zei Tumkur.

"Er is een grote behoefte om onderdelen te produceren die robuust en foutloos zijn, met de mogelijkheid om zeer grote structuren op een kosteneffectieve manier te printen, "Tumkur zei. "Om 3D-printen echt compatibel te maken met industriële normen en verder te gaan dan conventionele productiebenaderingen, we moeten een aantal fundamentele problemen aanpakken die zich voordoen bij zeer korte temporele regimes en microstructurele schalen. Ik denk dat beam-shaping echt de beste keuze is, omdat het kan worden toegepast om een ​​breed scala aan metalen alomtegenwoordig te printen en te worden opgenomen in commerciële printsystemen zonder dat er aanzienlijke uitdagingen op het gebied van integreerbaarheid ontstaan, zoals bij andere alternatieve technieken vaak het geval is."