Onderzoekers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hebben een nieuwe volledig optische ultrasone techniek ontwikkeld die in staat is om on-demand karakterisering van smeltsporen uit te voeren en de vorming van defecten te detecteren in een populair 3D-printproces van metaal.

In een paper gepubliceerd door Scientific Reports , stellen laboratoriumonderzoekers een diagnose voor met behulp van akoestische oppervlaktegolven (SAW), gegenereerd door op laser gebaseerde echografie, die kleine oppervlakte- en ondergronddefecten in 3D-printen van metaal met laserpoederbedfusie (LPBF) kunnen onthullen. Het team meldde dat het door hen ontwikkelde systeem effectief en nauwkeurig lasersmeltlijnen kan evalueren - de sporen waar de laser metaalpoeder vloeibaar maakt bij LPBF-afdrukken - door akoestische energie te verstrooien van smeltlijnen, holtes en oppervlaktekenmerken die snel kunnen worden gedetecteerd. Het team valideerde de bevindingen met behulp van optische microscopie en röntgencomputertomografie (CT).

"We hopen dat dit werk het potentieel aantoont voor een volledig optisch ultrageluidsysteem dat in staat is tot snelle, on-demand in situ karakterisering van LPBF-processen en -poeders", zegt LLNL-ingenieur en hoofdonderzoeker David Stobbe. "Het gedemonstreerde op laser gebaseerde ultrageluid, akoestische oppervlaktegolfsysteem vertoonde een uitstekende gevoeligheid voor oppervlakte- en nabije oppervlaktekenmerken, waaronder breuken in de LPBF-smeltlijn, metaalspatten en ondergrondse luchtholten."

Akoestische oppervlaktegolven zijn van oudsher gebruikt om oppervlakte- en nabije oppervlaktekenmerken zoals scheuren, putjes en lassen in technische materialen te karakteriseren, en worden in de geologie - op een veel grotere lengteschaal - gebruikt voor het detecteren van ondergrondse kenmerken zoals grotten. Vanwege hun oppervlakte- en nabij-oppervlaktegevoeligheid zijn SAW's volgens onderzoekers zeer geschikt voor het karakteriseren van smeltlijnen bij LPBF-afdrukken.

Om dit potentieel te testen, voerde het LLNL-team experimenten uit door lasergesmolten lijnen te produceren met behulp van een fiberlaser die in een vacuümkamer werd gericht en produceerde monsters van titaniumlegering voor analyse met 100 watt, 150 watt en 350 watt aangedreven lasers. Vervolgens ontwikkelden ze een methode voor het produceren en detecteren van akoestische oppervlaktegolven, met behulp van een gepulste laser om ultrageluid te genereren en de verplaatsing te meten met een fotorefractieve Iaser-interferometer.

Het team voerde ook simulaties uit om de experimentele metingen te informeren en te helpen bij het interpreteren van de resultaten. Ze simuleerden en maten de verplaatsing van de gepulseerde laser en toonden verstrooiing van de smeltlijn, evenals breuken in de smeltlijn, metaalspatten naast de smeltlijn en ondergrondse luchtholten onder de smeltlijn. Het team heeft dezelfde kenmerken experimenteel gemeten en een uitstekende overeenkomst tussen simulatie en experiment waargenomen.

De resultaten van op laser gebaseerde echografie (LBU) experimenten werden gevalideerd met optische microscopie, voor de oppervlaktekenmerken, en röntgencomputertomografie voor de ondergrondse kenmerken. Onderzoekers meldden dat in vergelijking met röntgen-CT, het LBU-systeem "beter in staat is om realtime-inspectie uit te voeren en gegevens sneller kan verzamelen en verwerken."

"Het gebruik van de op laser gebaseerde echografie verkortte de tijd voor detectie van ondergrondse holtes aanzienlijk in vergelijking met conventionele röntgen-CT van dagen tot minuten", zegt LLNL-ingenieur en hoofdauteur Kathryn Harke. "Hoewel er meer ontwikkeling nodig zou zijn voordat deze diagnose voor in-process monitoring wordt geïmplementeerd, is ons team enthousiast over deze eerste bevindingen."

Laboratoriumonderzoekers zeiden dat hoewel de methode zeer geschikt is voor in-situ-implementatie bij LPBF-afdrukken, er grenzen zijn aan de grootte en diepte van detecteerbare holtes, en dat in-situ monitoring of post-build inspectie verdere ontwikkeling zou vereisen.

"Een systeem als dit kan worden gebruikt voor het snel kwalificeren van nieuwe LPBF-machines en in gebruik zijnde machines na wijzigingen aan de metaalpoedergrondstof of aanpassingen aan het smeltlaservermogen of de scansnelheid", zei Stobbe.

Co-auteurs van het laboratorium waren onder meer Joe Tringe, die het idee en het LDRD-project bedacht, en Nick Calta, die de LPBF-monsters ontwierp en optische microscopie uitvoerde. + Verder verkennen

Onderzoekers meten elektronenemissie om het begrip van lasergebaseerd 3D-printen van metaal te verbeteren