Obra de arte que muestra el límite y el origen de la porosidad del ojo de la cerradura. En el lado izquierdo de la figura, el límite de porosidad del ojo de la cerradura en el espacio de velocidad de escaneo de potencia láser es nítido y suave. En el lado derecho, alrededor del límite de porosidad, la inestabilidad crítica del ojo de la cerradura libera ondas acústicas (ondas de choque) en el charco de fusión. Luego, las ondas empujan el poro cerca de la punta del ojo de la cerradura para acelerar rápidamente lejos del ojo de la cerradura. Cuando el poro es capturado por el frente de solidificación, se convierte en un defecto estructural perjudicial en la construcción. Crédito:Ye Feng, Cang Zhao en la Universidad de Tsinghua
La fusión por lecho de polvo con láser es una tecnología de fabricación aditiva dominante que aún no ha alcanzado su potencial. El problema al que se enfrenta la industria es que a veces se forman pequeñas burbujas o poros durante el proceso de impresión, y estos poros crean puntos débiles en los productos terminados.
Cuando una velocidad lenta, El láser de alta potencia derrite el polvo metálico durante la impresión 3D de una pieza. puede resultar una cavidad en forma de ojo de cerradura en el charco de fusión. Poros es decir, defectos, forma en la parte inferior del ojo de la cerradura. Nueva investigación publicada en Ciencias revela cómo se generan los poros y se convierten en defectos atrapados en el metal solidificado.
"El valor práctico real de esta investigación es que podemos ser precisos al controlar las máquinas para evitar este problema, "dice Anthony D. Rollett, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en Carnegie Mellon College of Engineering y coautor principal del artículo, "La inestabilidad crítica en la punta del ojo de la cerradura en movimiento genera porosidad en la fusión por láser".
Sobre la base de investigaciones anteriores que cuantificaron el fenómeno del ojo de la cerradura, El equipo de investigación utilizó imágenes de rayos X de alta energía extremadamente brillantes para observar las inestabilidades del ojo de la cerradura. Los poros se forman durante las fluctuaciones del ojo de la cerradura, y cambia de forma:la punta del ojo de la cerradura se transforma en una forma de "J" y se desprende. Este comportamiento inestable genera ondas acústicas en el metal líquido que fuerzan a los poros a alejarse del ojo de la cerradura para que sobrevivan lo suficiente como para quedar atrapados en el metal resolidificante. El equipo es el primero en concentrarse en este comportamiento e identificar lo que está sucediendo.
Esquema del experimento de rayos X de sincrotrón operando sobre fusión de lecho de polvo con láser (LPBF), con óptica de rayos X para controlar el haz, portamuestras con placas de carbono vítreo para contener polvo, centelleador para convertir los rayos X en luz, cámara de alta velocidad para capturar películas y láser de alta potencia con cabezal de escaneo para entregar un rayo láser para derretir la superficie de la muestra. Crédito:Facultad de Ingeniería de la Universidad Carnegie Mellon
"Cuando tienes un ojo de cerradura profundo, las paredes oscilan fuertemente. De vez en cuando, las oscilaciones son lo suficientemente fuertes en la parte inferior del ojo de la cerradura como para pellizcar, dejando una gran burbuja atrás. A veces, esta burbuja nunca se vuelve a conectar al ojo de la cerradura principal. Colapsa y genera una onda de choque acústica. Esto empuja los poros restantes lejos del ojo de la cerradura, "explica Rollett.
Es importante tener en cuenta que las cerraduras en sí mismas no son fallas y, p.ej., aumentan la eficiencia del láser. Utilizando equipo de rayos X de sincrotrón en Argonne National Laboratories, la única instalación en los Estados Unidos donde los investigadores pudieron realizar estos experimentos, señalaron que existe un límite bien definido entre los ojos de cerradura estables y los inestables.
"Siempre que permanezca fuera de la zona de peligro [es decir, demasiado caliente, demasiado lento], el riesgo de dejar defectos es bastante pequeño, "dice Rollett.
Las fluctuaciones en la profundidad del ojo de la cerradura aumentan fuertemente al disminuir la velocidad de escaneo y la potencia del láser en el lado inestable del límite.
"Puedes pensar en el límite como un límite de velocidad, excepto que es lo opuesto a conducir un automóvil. En este caso, se vuelve más peligroso a medida que avanza más lento. Si está por debajo del límite de velocidad, entonces es casi seguro que está generando un defecto, "agrega Rollett.
A una escala más amplia, demostrando la existencia de límites de porosidad de ojo de cerradura bien definidos y demostrando la capacidad de reproducirlos, la ciencia puede ofrecer una base más segura para predecir y mejorar los procesos de impresión. Rollett, quien es el codirector de la facultad del Next Manufacturing Center de Carnegie Mellon, cree que los hallazgos de esta investigación encontrarán rápidamente el camino hacia la forma en que las empresas operan sus impresoras 3-D.
