Para abordar la porosidad y los defectos en la impresión 3D de metal, los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore experimentaron con formas de rayos láser ópticos exóticos conocidos como haces de Bessel, que recuerdan a los patrones de diana. Descubrieron que los haces tenían propiedades únicas, como la autorreparación y la no difracción, y reducían la probabilidad de formación de poros y "agujeros de cerradura", un fenómeno que induce la porosidad exacerbado por el uso de haces gaussianos. Crédito: Verónica Chen/LLNL
Si bien las técnicas de impresión 3D basadas en láser han revolucionado la producción de piezas metálicas al expandir en gran medida la complejidad del diseño, los rayos láser utilizados tradicionalmente en la impresión de metales tienen inconvenientes que pueden provocar defectos y un rendimiento mecánico deficiente.
Los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) están abordando el problema mediante la exploración de formas alternativas a los rayos gaussianos comúnmente utilizados en los procesos de impresión láser de alta potencia, como la fusión de lecho de polvo láser (LPBF).
En un artículo publicado por Science Advances, los investigadores experimentaron con formas de haz óptico exóticas conocidas como haces de Bessel, que recuerdan a los patrones de diana, que poseen una serie de propiedades únicas, como la autorreparación y la no difracción. Descubrieron que la aplicación de este tipo de haces reducía la probabilidad de formación de poros y "agujeros de cerradura", un fenómeno inductor de porosidad en LPBF exacerbado por el uso de haces gaussianos. El trabajo aparece en la portada de la revista del 17 de septiembre de 2021.
Los investigadores del LLNL dijeron que el trabajo indica que las formas alternativas, como los haces de Bessel, podrían aliviar las principales preocupaciones de la técnica LBPF: el gran gradiente térmico y las complejas inestabilidades de la fusión que ocurren donde el láser se encuentra con el polvo metálico. Los problemas son causados predominantemente por formas de haz gaussiano que la mayoría de los sistemas láser de alta potencia disponibles en el mercado suelen generar.
“Usar rayos gaussianos es muy parecido a usar un lanzallamas para cocinar la comida; no tienes mucho control sobre cómo se deposita el calor alrededor del material”, dijo el autor principal y científico investigador del LLNL, Thej Tumkur Umanath. “Con un haz de Bessel, el hecho de que redistribuyamos parte de esa energía fuera del centro significa que podemos diseñar perfiles térmicos y reducir los gradientes térmicos para ayudar al refinamiento microestructural del grano y, en última instancia, dar como resultado piezas más densas y superficies más suaves”.
Tumkur, quien también ganó un primer lugar de premio en el Postdoc Research Slam de LLNL 2019! competencia por el trabajo, dijo que los haces de Bessel expanden significativamente el espacio de parámetros de escaneo láser sobre las formas tradicionales de haces gaussianos. El resultado son piscinas de fusión ideales que no son demasiado poco profundas y no sufren de perforaciones, un fenómeno en el que el láser crea un vapor fuerte y causa una cavidad profunda en el sustrato de metal durante la construcción, como lo han hecho previamente los investigadores de LLNL. encontrado. Keyholing crea burbujas en el baño de fusión que forman poros y conduce a un rendimiento mecánico degradado en las piezas terminadas.
Otro inconveniente de los haces convencionales es que son propensos a la difracción (difusión) a medida que se propagan. Los haces de Bessel permiten una mayor profundidad de foco debido a sus propiedades no difractivas. En consecuencia, los autores observaron una mayor tolerancia a la colocación de la pieza de trabajo con respecto al punto focal del láser utilizando haces de Bessel. La colocación es un desafío para los sistemas industriales que a menudo dependen de técnicas costosas y sensibles para posicionar una construcción en curso dentro de la profundidad de enfoque del haz enfocado cada vez que se deposita una capa de polvo metálico.
"Los haces de Bessel se han utilizado ampliamente en imágenes, microscopía y otras aplicaciones ópticas por sus propiedades no difractivas y de autorreparación, pero los enfoques de ingeniería de forma de haz son poco comunes en las aplicaciones de fabricación basadas en láser", explicó Tumkur. “Nuestro trabajo aborda la aparente desconexión entre la física óptica y la ingeniería de materiales en la comunidad de fabricación aditiva de metales mediante la incorporación de formas de haz de diseño para lograr el control sobre la dinámica del baño de fusión”.
El equipo de LLNL dio forma a los haces pasando el láser a través de dos lentes cónicas para producir una forma de dona, antes de pasarlo a través de ópticas adicionales y un escáner para crear "anillos" alrededor del haz central. Instalados en una máquina de impresión comercial en el Laboratorio de Fabricación Avanzada de LLNL, los investigadores utilizaron la configuración experimental para imprimir cubos y otras formas a partir de polvo de acero inoxidable.
A través de imágenes de alta velocidad, los investigadores estudiaron la dinámica del baño de fusión, observando una reducción sustancial en la turbulencia del baño de fusión y la mitigación de las "salpicaduras", las partículas fundidas de metal que vuelan desde la trayectoria del láser durante una construcción, lo que generalmente conduce a la formación de poros. formación.
En estudios mecánicos y simulaciones, el equipo descubrió que las piezas construidas con vigas Bessel eran más densas, más fuertes y tenían propiedades de tracción más sólidas que las estructuras construidas con vigas gaussianas convencionales.
“La industria ha buscado durante mucho tiempo la capacidad de aumentar el control del proceso LPBF para minimizar los defectos”, dijo Ibo Matthews, investigador principal del proyecto antes de convertirse en líder de la División de Ciencia de Materiales de LLNL. “La introducción de una estructura compleja en el rayo láser agrega una mayor flexibilidad para controlar con precisión la interacción láser-material, la deposición de calor y, en última instancia, la calidad de las impresiones”.
Saad Khairallah, científico informático de LLNL, utilizó el código multifísico ALE3D desarrollado por LLNL para simular la interacción de las formas de láser de haz de Gauss y Bessel con pistas individuales de material de polvo metálico. Al comparar las pistas resultantes, el equipo descubrió que el haz de Bessel demostró mejores gradientes térmicos que los haces gaussianos, lo que fomentó una mejor formación de microestructuras. También lograron una mejor distribución de la energía con los haces de Bessel, evitando la generación de "puntos calientes" que se encuentran en los haces gaussianos, que producen charcos profundos de fusión y forman poros.
“Las simulaciones le permiten obtener diagnósticos detallados de la física que tiene lugar y, por lo tanto, le permiten comprender los mecanismos fundamentales detrás de nuestros hallazgos experimentales”, dijo Khairallah.
Solo uno de los muchos caminos para mejorar la calidad de las piezas metálicas impresas en 3D que se estudian en LLNL, la formación de haz es una opción más económica que las estrategias de escaneo alternativas porque se puede hacer a bajo costo mediante la incorporación de elementos ópticos simples y puede reducir el gasto y el tiempo. involucrado en las técnicas de posprocesamiento que normalmente se necesitan para las piezas construidas con haces gaussianos, dijo Tumkur.
“Existe una gran necesidad de producir piezas que sean robustas y libres de defectos, con la capacidad de imprimir estructuras muy grandes de manera rentable”, dijo Tumkur. “Para que la impresión 3D sea verdaderamente compatible con los estándares industriales y vaya más allá de los enfoques de fabricación convencionales, debemos abordar algunos problemas fundamentales que ocurren en regímenes temporales muy cortos y escalas microestructurales. Creo que la conformación del haz es realmente el camino a seguir porque se puede aplicar para imprimir una amplia gama de metales de manera ubicua e incorporarse a los sistemas de impresión comerciales sin plantear desafíos de integrabilidad significativos como tienden a hacer otras técnicas alternativas”.
Los investigadores de LLNL están experimentando actualmente con otras estrategias de ingeniería de forma de haz como parte de una asociación en curso con GE Global Research y planean investigar enfoques complejos de modelado de polarización y haz láser para un mayor control sobre la calidad de las piezas impresas.
Referencia: “Conformación de haz no difractivo para un control optotérmico mejorado en la fabricación aditiva de metal” por Thejaswi U. Tumkur, Thomas Voisin, Rongpei Shi, Philip J. Depond, Tien T. Roehling, Sheldon Wu, Michael F. Crumb, John D. Roehling, Gabe Guss, Saad A. Khairallah y Manyalibo J. Matthews, 15 de septiembre de 2021, Science Advances.
DOI: 10.1126 / sciadv.abg9358
Los coautores del artículo incluyen a los científicos e ingenieros del LLNL Thomas Voisin, Rongpei Shi, Phil Depond, Tien Roehling, Sheldon Wu, Michael Crumb, John Roehling y Gabe Guss. El programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio financió el trabajo.
