7.8 C
Брюссель
Неділю, листопад 3, 2024
НовиниПромені Бесселя: формування лазерного променя для покращення 3D-друку з металу

Промені Бесселя: формування лазерного променя для покращення 3D-друку з металу

ВІДМОВА ВІД ВІДПОВІДАЛЬНОСТІ: інформація та думки, відтворені в статтях, належать тим, хто їх висловлює, і це їхня особиста відповідальність. Публікація в The European Times означає не автоматичне схвалення погляду, а право його висловлення.

ВІДМОВА ВІД ВІДПОВІДАЛЬНОСТІ ПЕРЕКЛАДИ: Усі статті на цьому сайті опубліковано англійською мовою. Перекладені версії виконуються за допомогою автоматизованого процесу, відомого як нейронні переклади. Якщо ви сумніваєтеся, завжди посилайтеся на оригінальну статтю. Спасибі за розуміння.

Лазерні промені Бесселя

Щоб усунути пористість і дефекти металевого 3D-друку, дослідники Ліверморської національної лабораторії Лоуренса експериментували з екзотичними формами оптичного лазерного променя, відомими як пучки Бесселя, — нагадуючи візерунки «яблочко». Вони виявили, що промені мають унікальні властивості, такі як самовідновлення та відсутність дифракції, а також зменшують ймовірність утворення пор і «замкової щілини» — явища, що викликає пористість, яке посилюється використанням променів Гауса. Авторство: Вероніка Чен/LLNL

У той час як технології 3D-друку на основі лазера зробили революцію у виробництві металевих деталей, значно розширивши складність конструкції, лазерні промені, які традиційно використовуються для металевого друку, мають недоліки, які можуть призвести до дефектів і поганих механічних характеристик.

Дослідники з Ліверморської національної лабораторії імені Лоуренса (LLNL) вирішують цю проблему, досліджуючи альтернативні форми пучків Гауса, які зазвичай використовуються в процесах високопотужного лазерного друку, таких як лазерне сплавлення порошкового шару (LPBF).

У статті, опублікованій Наука розвивається, дослідники експериментували з екзотичними формами оптичних променів, відомих як промені Бесселя — нагадують візерунки в яблучке — які мають ряд унікальних властивостей, таких як самовідновлення та відсутність дифракції. Вони виявили, що застосування цих типів пучків зменшує ймовірність утворення пор і «замкової щілини», явища, що викликає пористість у LPBF, посилюється використанням пучків Гауса. Робота представлена ​​на обкладинці журналу від 17 вересня 2021 року.

Дослідники LLNL заявили, що робота вказує на те, що альтернативні форми, такі як пучки Бесселя, можуть пом’якшити головні проблеми в техніці LBPF: великий тепловий градієнт і складні нестабільності басейну розплаву, які виникають у місці зустрічі лазера з металевим порошком. Проблеми переважно викликані формами гаусового променя, які зазвичай виводять більшість стандартних високопотужних лазерних систем.

«Використання променів Гауса дуже схоже на використання вогнемета для приготування їжі; ви не маєте великого контролю над тим, як тепло накопичується навколо матеріалу», – сказав провідний автор і дослідник LLNL Тедж Тумкур Уманат. «З променем Бесселя той факт, що ми перерозподіляємо частину цієї енергії від центру, означає, що ми можемо спроектувати теплові профілі та зменшити температурні градієнти, щоб сприяти мікроструктурній зернистості та, зрештою, призводити до щільніших деталей та гладкіших поверхонь».

Тумкур, який також посів перше місце нагорода на LLNL's 2019 Postdoc Research Slam! Конкуренція за роботу, сказав, що пучки Бесселя значно розширюють простір параметрів лазерного сканування порівняно з традиційними формами пучка Гауса. Результатом є ідеальні басейни розплаву, які не надто дрібні та не страждають від «замкової щілини» — явища, під час якого лазер створює сильну пару та викликає глибоку порожнину в металевій підкладці під час збірки, як дослідники LLNL раніше встановили. знайдений. Замкова скважина створює бульбашки в басейні розплаву, які утворюють пори та призводять до погіршення механічних характеристик готових деталей.

Ще одним недоліком звичайних променів є те, що вони схильні до дифракції (розповсюдження) під час свого поширення. Промені Бесселя забезпечують більшу глибину фокусування завдяки своїм недифракційним властивостям. Отже, автори спостерігали підвищену толерантність до розміщення заготовки щодо фокусної точки лазера за допомогою променів Бесселя. Розміщення є проблемою для промислових систем, які часто покладаються на дорогі та чутливі методи позиціонування незавершеної конструкції в межах глибини фокусу сфокусованого променя кожного разу, коли наноситься шар металевого порошку.

«Промені Бесселя широко використовуються у візуалізації, мікроскопії та інших оптичних додатках через їх недифракційні та самовідновлювальні властивості, але інженерні підходи щодо форми пучка є досить рідкісними у виробничих додатках на основі лазерів», – пояснив Тумкур. «Наша робота вирішує очевидний розрив між оптичною фізикою та інженерією матеріалів у спільноті виробництва металевих добавок, використовуючи дизайнерські форми променя для досягнення контролю над динамікою басейну розплаву».

Команда LLNL формувала промені, пропускаючи лазер через дві конічні лінзи, щоб отримати форму бублика, а потім пропускати його через додаткову оптику та сканер для створення «кілець» навколо центрального променя. Дослідники, встановлені на комерційній друкарській машині в Лабораторії вдосконаленого виробництва LLNL, використовували експериментальну установку для друку кубів та інших форм із порошку з нержавіючої сталі.

За допомогою високошвидкісного зображення дослідники вивчали динаміку басейну розплаву, спостерігаючи суттєве зменшення турбулентності басейну розплаву та пом’якшення «розбризкування» — частинок розплавленого металу, які відлітають від траєкторії лазера під час створення — що, як правило, призводить до утворення пор. формування.

Під час механічних досліджень і моделювання команда виявила, що деталі, виготовлені з балок Бесселя, були щільнішими, міцнішими та мали більш надійні властивості на розтяг, ніж конструкції, виготовлені зі звичайних балок Гаусса.

«Промисловість давно шукає можливості посилити контроль над процесом LPBF, щоб мінімізувати дефекти», — сказав Ібо Метьюз, головний дослідник проекту до того, як став керівником відділу матеріалознавства LLNL. «Впровадження складної структури в лазерний промінь додає підвищену гнучкість для точного контролю взаємодії лазера з матеріалом, нагріванням і, зрештою, якістю відбитків».

Комп’ютерний науковець LLNL Саад Хайралла використав мультифізичний код ALE3D, розроблений LLNL, для моделювання взаємодії гауссівських і бесселівських форм лазерного променя з одиночними доріжками металевого порошкового матеріалу. Порівнюючи отримані треки, команда виявила, що промінь Бесселя демонструє покращені температурні градієнти порівняно з гауссовими променями, що сприяє кращому формуванню мікроструктури. Вони також досягли кращого розподілу енергії за допомогою пучків Бесселя, уникаючи генерації «гарячих точок», характерного для пучків Гауса, які утворюють глибокі басейни розплаву та утворюють пори. 

«Моделювання дозволяє отримати детальну діагностику фізики, що відбувається, і, отже, дозволить вам зрозуміти фундаментальні механізми, що стоять за нашими експериментальними висновками», — сказав Хайралла.

Лише один із багатьох шляхів покращення якості 3D-друкованих металевих деталей, які вивчаються в LLNL, формування променя є дешевшим варіантом, ніж альтернативні стратегії сканування, оскільки це можна зробити з невеликими витратами за рахунок використання простих оптичних елементів і може зменшити витрати та час. задіяний у техніках постобробки, які зазвичай необхідні для деталей, створених за допомогою гаусових променів, сказав Тумкур.

«Існує велика потреба виробляти міцні та бездефектні деталі з можливістю друку дуже великих структур економічно ефективним способом», — сказав Тумкур. «Щоб зробити 3D-друк справді сумісним із промисловими стандартами та вийти за межі звичайних підходів до виробництва, нам потрібно вирішити деякі фундаментальні проблеми, які виникають за дуже коротких часових режимів і мікроструктурних масштабів. Я вважаю, що формування променя — це справді правильний шлях, тому що його можна застосовувати для повсюдного друку широкого діапазону металів і використовувати його в комерційних системах друку, не створюючи значних проблем з інтегрованістю, як це роблять інші альтернативні методи».

Дослідники з LLNL наразі експериментують з іншими стратегіями розробки форми променя в рамках постійного партнерства з GE Global Research і планують дослідити комплексні підходи до формування лазерного променя та поляризації для кращого контролю над якістю друкованих деталей.

Довідка: «Недифракційне формування променя для покращеного оптотермічного контролю у виробництві металевих добавок» Теджасві У. Тумкур, Томас Войзен, Ронгпей Ши, Філіп Дж. Депонд, Тієн Т. Релінг, Шелдон Ву, Майкл Ф. Крамб, Джон Д. Релінг, Гейб Ґас, Саад А. Хайралла та Маньялібо Дж. Метьюз, 15 вересня 2021 р. Наука розвивається.
DOI: 10.1126/sciadv.abg9358

Серед співавторів статті вчені та інженери LLNL Томас Вуазін, Ронгпей Ши, Філ Депонд, Тьєн Релінг, Шелдон Ву, Майкл Крамб, Джон Релінг і Гейб Гасс. Роботу фінансувала програма Laboratory Directed Research and Development.

- Реклама -

Більше від автора

- ЕКСКЛЮЗИВНИЙ ВМІСТ -spot_img
- Реклама -
- Реклама -
- Реклама -spot_img
- Реклама -

Must read

Останні статті

- Реклама -