La incorporación de una nueva cámara infrarroja en Advanced Photon Source de Argonne reduce la brecha entre la investigación básica y aplicada en la fabricación aditiva.

Uno de los mayores desafíos que enfrenta la industria de la impresión 3D es cómo garantizar la reproducibilidad de las piezas de alta calidad. Sin mejores conocimientos sobre cómo detectar y detener defectos, la tecnología tiene limitaciones a la hora de producir piezas básicas.

Esa información tan necesaria está al alcance de los dedos de los diseñadores industriales ahora, gracias a una nueva herramienta disponible para la industria y los investigadores en el Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE). La instalación de una cámara infrarroja en la fuente de rayos X de alta energía en la fuente de fotones avanzada de Argonne, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, permite a los investigadores medir firmas térmicas en superficies en tiempo real.

Argonne fue el primer laboratorio nacional de EE. UU. En integrar un aparato de impresión 3D de metal en una línea de luz, o camino de fotones, para diagnóstico por rayos X. También es el único laboratorio nacional que puede ver el polvo de metal fundiéndose dentro del área de la llamada "piscina de fusión" en menos de un nanosegundo. Agregar la cámara infrarroja de alta velocidad a una línea de luz de sincrotrón es otra novedad, y permite a los investigadores replicar más de cerca los procesos de deposición que ocurren en una planta de fabricación real.

Las herramientas de diagnóstico combinadas permiten que la industria y los investigadores capturen imágenes de rayos X en 1, 000, 000 fotogramas por segundo e imágenes térmicas a 100, 000 fotogramas por segundo durante los procesos de impresión 3-D. Esto crea películas de la formación de defectos clave causados ​​por la inestabilidad de la piscina de fusión, Expulsión de salpicaduras de polvo y estrategia de escaneo inadecuada.

Imágenes complementarias

Utilizado junto con microscopía de rayos X, Las imágenes térmicas de alta velocidad pueden ofrecer conocimientos novedosos sobre cuánto y qué tan rápido se calientan y enfrían las diferentes regiones de la pieza durante toda la construcción. que implica millones de escaneos de líneas láser. Estos conocimientos se pueden utilizar para reducir las variaciones en el diseño de piezas, y mejorar la eficiencia de la fabricación aditiva para productos de consumo, defensa, medicamento, automotriz y muchas otras aplicaciones de campo.

"Las imágenes infrarrojas y de rayos X se complementan, ", dijo el físico de Argonne Tao Sun." Desde un lado tienes los rayos X que penetran en la muestra para ayudarte a ver las microestructuras sin ninguna información térmica, mientras que por el otro tienes la cámara de infrarrojos que captura muchas firmas térmicas asociadas ".

Una forma en que la cámara infrarroja aumenta las imágenes de rayos X es ayudando a visualizar la formación de columnas de polvo vaporizado, que se forman cuando el láser golpea y se mueve a través del polvo. Estas plumas alto en calor, puede interrumpir el rendimiento del láser.

Estas columnas no se pueden ver con rayos X solo debido al estado vaporizado de las partículas, pero son capturados por luz infrarroja. Junto con las mediciones tomadas por rayos X, tales datos, así como otros parámetros importantes, incluidos los índices de calentamiento y enfriamiento, Puede alimentar modelos de impresión 3D para mejorar su precisión y velocidad.

Uniendo la ciencia básica y aplicada

Otro beneficio clave de las cámaras infrarrojas es su capacidad para integrarse en sistemas de fabricación aditiva, acercando la investigación fundamental realizada en el APS a los usuarios del mundo real.

Sun y Greco ven un futuro en el que los usuarios de sistemas de fabricación aditiva podrían conectar cámaras infrarrojas a sus máquinas para aprovechar la información obtenida al combinar imágenes de rayos X e infrarrojos. como una firma térmica (encontrada a través de imágenes infrarrojas) correlacionada con la formación de un defecto (capturado a través de imágenes de rayos X). Si se encuentra, los usuarios podían identificar cuándo se estaban formando defectos en sus propios sistemas basándose en una firma determinada, y tomar medidas preventivas para mitigar o solucionar el problema.

Tales aplicaciones potenciales están lejos en el futuro, Sun dijo, pero ejemplifique los beneficios potenciales de integrar ambas técnicas de imagen.

"No todo el mundo tiene la suerte de tener acceso a una potente fuente de luz de rayos X como el APS, de modo que, si podemos encontrar formas de entregar información y aprovechar las herramientas a las que la mayoría de las personas tiene acceso, como cámaras térmicas, podemos tener un impacto aún mayor en el campo, " él dijo.

La cámara de infrarrojos está ubicada en la línea de luz 32-ID-B de Advanced Photon Source. La cámara IR fue financiada a través de un programa LDRD como parte del Programa de Ingeniería y Ciencia de la Fabricación de Argonne. Vea un video sobre esta nueva tecnología aquí.