Fabricación aditiva (AM, también conocida como impresión 3D) nos permite crear formas increíblemente complejas, lo que no sería posible utilizando técnicas de fabricación tradicionales. Sin embargo, los objetos creados con AM tienen propiedades diferentes de las rutas de fabricación tradicionales, que a veces es una desventaja.

La fabricación aditiva por láser (LAM) utiliza un láser para fusionar piezas metálicas, cerámica u otros polvos en complejas formas tridimensionales, capa por capa. Las velocidades de enfriamiento son extremadamente rápidas, y al ser distintos a los procesos convencionales no conocemos las condiciones óptimas para obtener las mejores propiedades, retrasar la adopción de MELA en la producción de estructuras de ingeniería críticas para la seguridad, como palas de turbina, almacenamiento de energía y dispositivos biomédicos. Necesitamos un método para ver el interior del proceso de LAM para comprender y optimizar mejor la interacción láser-materia y los mecanismos de consolidación del polvo.

Basado en el Complejo de Investigación de Harwell, un equipo de investigadores ha trabajado con científicos en I12, la línea de luz de procesamiento ambiental de ingeniería conjunta (JEEP) y la instalación central de láser para construir una máquina de fabricación aditiva láser que opera en una línea de luz, permitiéndole ver el corazón del proceso, revelando los fenómenos físicos subyacentes durante LAM.

Profesor Peter Lee de la Universidad de Manchester, quien dirige el proyecto explica:"El proceso LAM es muy rápido, teniendo lugar en milisegundos, y para investigar necesitamos una resolución de microsegundos, que solo se puede lograr con el brillo de un sincrotrón. Nos permite seguir el proceso desde polvo, a través de la fusión y luego solidificación de nuevo a la forma sólida final. En JEEP estamos investigando las superaleaciones utilizadas en los motores aeronáuticos, y necesitamos la alta energía, Allí se producen rayos X duros para ver dentro de ellos ".

En el lugar, en operando radiografía de rayos X

Para esta investigación, el equipo creó un nuevo replicador de procesos LAM, el LAMPR, lo que les permite obtener imágenes y cuantificar la formación de la pista de masa fundida a medida que se imprimen las capas durante la mañana. El LAMPR fue diseñado para encajar en la línea de luz e imita un sistema LAM comercial, con ventanas transparentes a los rayos X, permitiendo a los científicos ver directamente el corazón del proceso MELA a medida que se lleva a cabo. Utilizaron radiografías de rayos X con alta resolución temporal y espacial para descubrir los mecanismos clave de la interacción láser-materia y la consolidación del polvo durante el MELA. incluida la formación y evolución de pistas de fusión, patrones de salpicaduras, la zona denudada (una zona libre de polvo) y la porosidad en las capas depositadas. La cuantificación resuelta en el tiempo de los movimientos de los poros y las salpicaduras proporcionó información crucial sobre sus velocidades y dirección de flujo. que no es posible adquirir utilizando otras técnicas.

"El LAMPR es un equipo único, y el soporte de la línea de luz era absolutamente esencial. Trabajamos con el personal de Diamond desde la formulación de la propuesta. Diamond ayudó con el diseño mecánico, y la óptica e integrando el LAMPR en los sistemas de control ", dice el Dr. Alex Leung, el PDRA liderando los experimentos.

Los resultados de estos experimentos aclaran aspectos de la física subyacente a LAM, que son cruciales para su desarrollo. La hipótesis anterior era que la formación de porosidad superficial en los objetos terminados se debía a una fusión incompleta o una alimentación de líquido insuficiente. Sin embargo, esta investigación muestra que se forma a través de un mecanismo de explosión de poros. Los poros cercanos a la superficie escapan a la atmósfera, dejando atrás una depresión superficial.

Más lejos, Los resultados del equipo revelan que la pista continua de material fundido a menudo se produce mediante la fusión previa antes de la pista principal. impulsado por la tensión superficial (flujo Marangoni), antes de incorporarse a la vía principal. El vapor de metal y el calentamiento del gas inerte son una fuente potencial de defectos. formando una pluma que expulsa polvo y gotas fundidas fuera de la pista principal.

Al permitir que se estudien las diferentes condiciones del proceso, el LAMPR permitió al equipo crear un mapa de proceso que ilustra cómo ajustar el proceso LAM para producir un producto de calidad con un mínimo de prueba y error. A diferencia de un mapa de procesos tradicional, Las imágenes de sincrotrón producen un mapa de mecanismos, que revela la física fundamental que limita la ventana del proceso. Esto permite que la aleación, condiciones o incluso proceso a ser alterado para superar las restricciones y obtener un entorno de procesamiento más eficiente.

Esta metodología arroja nueva luz sobre los mecanismos de formación de poros, incluida la migración, disolución, dispersión, y estallido de poros durante LAM, y las investigaciones futuras en estas áreas profundizarán nuestra comprensión fundamental de la naturaleza de la interacción láser-materia.