Los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) han dado un paso prometedor para mejorar la confiabilidad de las técnicas de impresión 3D de metales basadas en láser midiendo la emisión de electrones de la superficie del acero inoxidable durante el procesamiento con láser.

Los investigadores recolectaron señales de emisión termoiónica de acero inoxidable 316L en condiciones de fusión de lecho de polvo láser (LPBF) utilizando un sistema personalizado, sistema de banco de pruebas y un preamplificador de corriente que midió el flujo de electrones entre la superficie metálica y la cámara. Luego utilizaron la emisión termoiónica generada para identificar la dinámica causada por las interacciones láser-metal. El periódico Materiales de comunicación publicó el trabajo en línea el 27 de noviembre.

El equipo dijo que los resultados ilustran el potencial de la detección de emisiones termoiónicas para detectar fenómenos impulsados ​​por láser que pueden causar defectos en las piezas. Optimice los parámetros de construcción y mejore el conocimiento del proceso LPBF mientras complementa las capacidades de diagnóstico existentes. Los investigadores dijeron que la capacidad de capturar la emisión térmica de electrones ayudará a avanzar en la comprensión básica de la dinámica de interacción láser-material involucrada en el proceso LPBF y respaldará a la comunidad de maduración de tecnología en general para generar confianza en las piezas creadas con la técnica.

"La producción de piezas sin defectos es un obstáculo importante para la adopción comercial generalizada de la fabricación aditiva de metales (AM), ", dijo el investigador principal Aiden Martin." Los investigadores de LLNL han estado abordando este problema mediante el desarrollo de procesos y herramientas de diagnóstico para mejorar la confiabilidad de la MA metálica. Esta nueva metodología complementa estas herramientas de diagnóstico existentes para aumentar nuestra comprensión del proceso de impresión 3D. Nuestros próximos pasos son expandir esta tecnología en un sensor que opere en un sistema LPBF a gran escala para aumentar la confianza en la calidad de las piezas construidas ".

Los investigadores dijeron que si bien se han realizado investigaciones importantes para comprender y medir cómo se imprimen las piezas con LPBF a través de imágenes ópticas, Radiografías de rayos X o medición de emisiones de señales térmicas o acústicas, se ha pasado por alto la emisión termoiónica. Pero al observar y analizar los electrones emitidos durante el procesamiento láser, Los investigadores de laboratorio demostraron que podían vincular los aumentos en la emisión termoiónica a la temperatura de la superficie y las condiciones de escaneo láser que causan la formación de poros y defectos en las piezas.

A través de datos experimentales y simulación, Los investigadores informaron que la señal de emisión termoiónica aumentó exponencialmente, y la profundidad de la piscina de fusión aumentó linealmente, con densidad de energía local, demostrando la "dependencia crítica" de la temperatura de la superficie del metal en las emisiones termoiónicas y la utilidad de usar señales termoiónicas como una forma de optimizar el enfoque láser en LPBF.

"En general, la comunidad ha pasado por alto la emisión de electrones en la fabricación de aditivos metálicos, y nos emocionó observar su extrema sensibilidad a las condiciones del proceso, ", dijo el primer autor e ingeniero de LLNL, Phil DePond.

Las observaciones del equipo revelaron que la formación de plasma durante el proceso LPBF, que previamente atribuyeron a la ionización del metal vaporizado por el rayo láser, también podría deberse a la expulsión de electrones de la superficie del metal a la atmósfera de gas argón e interactuando con el láser.

Los investigadores dijeron que la alta sensibilidad de la emisión termoiónica a la temperatura de la superficie y la morfología de la superficie les permite determinar el punto de transición exacto entre la conducción y la formación del ojo de la cerradura. lo que da como resultado la formación de poros en algunas partes. Llegaron a la conclusión de que los resultados muestran que las señales termoiónicas se pueden utilizar de forma eficaz con los métodos tradicionales de recopilación y procesamiento de datos LPBF. mejorar el conocimiento científico de las interacciones láser-material e identificar dónde pueden surgir defectos.

Mas ampliamente, el trabajo "representa un paso importante hacia el establecimiento de capacidades efectivas de monitoreo in situ que pueden acelerar la calificación y certificación de los componentes LPBF, ", dijo el coautor y líder del grupo de ciencia de interacción de materiales láser, Manyalibo" Ibo "Matthews.