Чтобы устранить пористость и дефекты в 3D-печати металла, исследователи Ливерморской национальной лаборатории провели эксперименты с экзотическими формами оптического лазерного луча, известными как лучи Бесселя, напоминающими узоры в виде яблочко. Они обнаружили, что лучи обладают уникальными свойствами, такими как самовосстановление и отсутствие дифракции, и снизили вероятность образования пор и «образования трещин» - явления, вызывающего пористость, усугубляемого использованием гауссовых лучей. Предоставлено: Вероника Чен / LLNL.
В то время как методы лазерной 3D-печати произвели революцию в производстве металлических деталей, значительно увеличив сложность конструкции, лазерные лучи, традиционно используемые в печати на металле, имеют недостатки, которые могут привести к дефектам и плохим механическим характеристикам.
Исследователи из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL) решают эту проблему, исследуя формы, альтернативные гауссовым лучам, обычно используемым в процессах высокомощной лазерной печати, таких как сплавление в лазерном порошковом слое (LPBF).
В статье, опубликованной Наука развивается, исследователи экспериментировали с экзотическими формами оптических лучей, известными как лучи Бесселя, напоминающими паттерны «яблочко», которые обладают рядом уникальных свойств, таких как самовосстановление и отсутствие дифракции. Они обнаружили, что применение этих типов балок снижает вероятность порообразования и «образования трещин» - явления, вызывающего пористость в LPBF, усугубляемого использованием гауссовых пучков. Работа размещена на обложке журнала 17 сентября 2021 года.
Исследователи LLNL заявили, что эта работа показывает, что альтернативные формы, такие как пучки Бесселя, могут облегчить основные проблемы в методе LBPF: большой температурный градиент и сложная нестабильность ванны расплава, возникающая там, где лазер встречается с металлическим порошком. Проблемы в основном вызваны гауссовой формой луча, которую обычно выводят большинство серийных высокомощных лазерных систем.
«Использование гауссовых лучей очень похоже на использование огнемета для приготовления еды; у вас нет особого контроля над тем, как тепло выделяется вокруг материала », - сказал ведущий автор и научный сотрудник LLNL Тедж Тумкур Уманат. «С помощью луча Бесселя тот факт, что мы перераспределяем часть этой энергии вдали от центра, означает, что мы можем спроектировать тепловые профили и уменьшить температурные градиенты, чтобы способствовать измельчению микроструктурных зерен и, в конечном итоге, получить более плотные детали и более гладкие поверхности».
Тумкур, также занявший первое место награда на конференции LLNL Postdoc Research Slam 2019! Конкурс на работу, сказал, что лучи Бесселя значительно расширяют пространство параметров лазерного сканирования по сравнению с традиционными формами гауссова луча. В результате образуются идеальные бассейны расплава, которые не являются слишком мелкими и не страдают от образования трещин - явления, при котором лазер создает сильный пар и вызывает глубокую полость в металлической подложке во время сборки, как ранее отмечали исследователи LLNL. найденный. Кольцо с замком создает пузырьки в ванне расплава, которые образуют поры и приводят к ухудшению механических характеристик готовых деталей.
Еще один недостаток обычных лучей заключается в том, что они склонны к дифракции (расширению) при распространении. Лучи Бесселя обеспечивают большую глубину резкости благодаря своим недифракционным свойствам. Следовательно, авторы наблюдали повышенный допуск к размещению заготовки относительно фокальной точки лазера с использованием лучей Бесселя. Размещение - это проблема для промышленных систем, которые часто полагаются на дорогие и чувствительные методы для размещения незавершенного строительства в пределах глубины фокуса сфокусированного луча каждый раз, когда наносится слой металлического порошка.
«Лучи Бесселя широко использовались в визуализации, микроскопии и других оптических приложениях из-за их недифракционных и самовосстанавливающихся свойств, но подходы к проектированию формы луча довольно необычны в лазерных производственных приложениях», - пояснил Тумкур. «Наша работа устраняет кажущееся несоответствие между оптической физикой и инженерией материалов в сообществе аддитивного производства металлов путем включения дизайнерских форм пучка для достижения контроля над динамикой ванны расплава».
Команда LLNL сформировала лучи, пропустив лазер через две конические линзы, чтобы получить форму пончика, прежде чем пропустить его через дополнительную оптику и сканер, чтобы создать «кольца» вокруг центрального луча. Установленный в коммерческой печатной машине в Лаборатории передового производства LLNL, исследователи использовали экспериментальную установку для печати кубиков и других форм из порошка нержавеющей стали.
С помощью высокоскоростной визуализации исследователи изучали динамику ванны расплава, наблюдая существенное снижение турбулентности ванны расплава и уменьшение «брызг» - расплавленных частиц металла, которые вылетают с пути лазера во время сборки, что обычно приводит к образованию пор. формирование.
В ходе механических исследований и моделирования команда обнаружила, что детали, построенные с использованием балок Бесселя, были более плотными, прочными и имели более устойчивые свойства при растяжении, чем конструкции, построенные с использованием обычных гауссовых балок.
«Промышленность давно искала возможность усилить контроль над процессом LPBF, чтобы минимизировать дефекты», - сказал Ибо Мэтьюз, главный исследователь проекта, прежде чем стать руководителем отдела материаловедения LLNL. «Введение сложной структуры в лазерный луч увеличивает гибкость для точного управления взаимодействием лазера с материалом, тепловым осаждением и, в конечном итоге, качеством отпечатков».
Ученый-компьютерщик LLNL Саад Хайраллах использовал разработанный LLNL мультифизический код ALE3D для моделирования взаимодействия форм гауссова и бесселевого луча лазера с отдельными дорожками металлического порошка. Сравнивая полученные треки, команда обнаружила, что пучок Бесселя продемонстрировал улучшенные температурные градиенты по сравнению с пучками Гаусса, способствуя лучшему формированию микроструктуры. Они также достигли лучшего распределения энергии с помощью пучков Бесселя, избегая образования «горячих точек», обнаруживаемого в пучках Гаусса, которые образуют глубокие лужи расплава и образуют поры.
«Моделирование позволяет вам получить подробную диагностику происходящих физических процессов и, следовательно, понять фундаментальные механизмы, лежащие в основе наших экспериментальных результатов», - сказал Хайраллах.
Формирование луча является лишь одним из многих способов улучшения качества металлических деталей, напечатанных на 3D-принтере, изучаемых в LLNL. Формирование луча является более дешевым вариантом, чем альтернативные стратегии сканирования, поскольку оно может быть выполнено с небольшими затратами за счет включения простых оптических элементов и может сократить расходы и время. «участвует в методах постобработки, обычно необходимых для деталей, построенных с использованием гауссовых балок», - сказал Тумкур.
«Существует большая потребность в производстве надежных и бездефектных деталей с возможностью экономичной печати очень больших структур», - сказал Тумкур. «Чтобы сделать 3D-печать действительно совместимой с промышленными стандартами и выйти за рамки традиционных производственных подходов, нам необходимо решить некоторые фундаментальные проблемы, которые возникают при очень коротких временных режимах и микроструктурных масштабах. Я думаю, что формирование луча - это действительно правильный путь, потому что его можно применять для повсеместной печати широкого спектра металлов и включать в коммерческие системы печати, не создавая серьезных проблем с интегрируемостью, как это обычно делают другие альтернативные методы ».
Исследователи из LLNL в настоящее время экспериментируют с другими стратегиями проектирования формы луча в рамках продолжающегося партнерства с GE Global Research и планируют исследовать комплексные подходы к лазерному лучу и формированию поляризации для большего контроля над качеством печатаемых деталей.
Ссылка: «Формирование пучка без дифракции для улучшенного оптотермического контроля в аддитивном производстве металлов» Теджасви У. Тумкур, Томас Вуазен, Ронгпей Ши, Филип Дж. Депонд, Тьен Т. Роулинг, Шелдон Ву, Майкл Ф. Крамб, Джон Д. Ролинг, Гейб Гасс, Саад А. Хайраллах и Маньялибо Дж. Мэтьюз, 15 сентября 2021 г., Наука развивается.
DOI: 10.1126 / sciadv.abg9358
Соавторами статьи являются ученые и инженеры LLNL Томас Вуазен, Ронгпей Ши, Фил Депонд, Тьен Ролинг, Шелдон Ву, Майкл Крамб, Джон Ролинг и Гейб Гасс. Работа финансировалась программой исследований и разработок под руководством лаборатории.
