La promesa de la fabricación aditiva de revolucionar la industria se ve limitada por un problema generalizado:pequeñas bolsas de gas en el producto final, lo que puede provocar grietas y otras fallas.

Nueva investigación publicada hoy en Ciencias , dirigido por investigadores de la Universidad Carnegie Mellon y el Laboratorio Nacional Argonne, ha identificado cómo y cuándo se forman estas bolsas de gas, así como una metodología para predecir su formación, un descubrimiento fundamental que podría mejorar drásticamente el proceso de impresión 3D.

"La investigación en este documento se traducirá en un mejor control de calidad y un mejor control del trabajo con las máquinas, "dijo Anthony Rollett, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad Carnegie Mellon y autor del artículo. "Para que la fabricación aditiva realmente despegue para la mayoría de las empresas, necesitamos mejorar la consistencia de los productos terminados. Esta investigación es un paso importante en esa dirección ".

Los científicos utilizaron rayos X de alta energía extremadamente brillantes en la fuente de fotones avanzada (APS) de Argonne, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, para tomar imágenes y videos súper rápidos de un proceso llamado Laser Power Bed Fusion (LPBF), en el que se utilizan láseres para fundir y fusionar el material en polvo.

Los láseres que escanean cada capa de polvo para fusionar el metal donde se necesita, literalmente crea el producto terminado desde cero. Pueden formarse defectos cuando las bolsas de gas quedan atrapadas en estas capas, provocando imperfecciones que podrían provocar grietas u otras averías en el producto final.

Hasta ahora, los fabricantes e investigadores no sabían mucho sobre cómo el láser perfora el metal, produciendo cavidades llamadas "depresiones de vapor, "pero asumieron que el tipo de polvo metálico o la fuerza del láser eran los culpables. Como resultado, Los fabricantes han estado utilizando un enfoque de prueba y error con diferentes tipos de metales y láseres para tratar de reducir los defectos.

De hecho, la investigación muestra que estas depresiones de vapor existen en casi todas las condiciones del proceso, no importa el láser o el metal. Incluso mas importante, la investigación muestra cómo predecir cuándo una pequeña depresión se convertirá en una grande e inestable que potencialmente puede crear un defecto.

"Estamos descorriendo el velo y revelando lo que realmente está pasando, ", dijo Rollett, quien también es codirector del Centro de Fabricación Next en Carnegie Mellon." La mayoría de la gente piensa que ilumina con una luz láser la superficie de un polvo metálico, la luz es absorbida por el material, y derrite el metal en un charco de fusión. En la actualidad, realmente estás perforando un agujero en el metal ".

Mediante el uso de equipos altamente especializados en el APS de Argonne, una de las instalaciones de sincrotrón más potentes del mundo, Los investigadores observaron lo que sucede cuando el láser se mueve a través del lecho de polvo metálico para crear cada capa del producto.

En perfectas condiciones, la forma de la piscina de fusión es poco profunda y semicircular, llamado el "modo de conducción". Pero durante el proceso de impresión real, el láser de alta potencia, a menudo moviéndose a baja velocidad, puede cambiar la forma de la piscina de fusión a algo así como un ojo de cerradura en una cerradura protegida:redonda y grande en la parte superior, con una punta estrecha en la parte inferior. Tal fusión en "modo de ojo de cerradura" puede conducir potencialmente a defectos en el producto final.

"Según esta investigación, ahora sabemos que el fenómeno del ojo de la cerradura es más importante, de muchas maneras, que el polvo que se utiliza en la fabricación aditiva, "dijo Ross Cunningham, un recién graduado de la Universidad Carnegie Mellon y uno de los primeros coautores de este artículo. "Nuestra investigación muestra que puede predecir los factores que conducen a un ojo de cerradura, lo que significa que también puede aislar esos factores para obtener mejores resultados".

La investigación muestra que las cerraduras se forman cuando se alcanza una cierta densidad de potencia láser que es suficiente para hervir el metal. Esta, Sucesivamente, revela la importancia crítica del enfoque láser en el proceso de fabricación aditiva, un elemento que ha recibido escasa atención hasta ahora, según el equipo de investigación.

"El fenómeno del ojo de la cerradura se pudo ver por primera vez con tales detalles debido a la escala y la capacidad especializada desarrollada en Argonne, "dijo Tao Sun, un físico de Argonne y autor del artículo. "El intenso haz de rayos X de alta energía en el APS es clave para descubrimientos como este".

La plataforma experimental que apoya el estudio de la fabricación aditiva incluye un aparato láser, detectores especializados, e instrumentos dedicados a la línea de luz.

En 2016, el equipo de Argonne, junto con sus socios de investigación, capturó el primer video de rayos X de la fabricación aditiva por láser a escalas de micrómetros y microsegundos. Ese estudio aumentó el interés en el impacto que el APS de Argonne podría tener en las técnicas y desafíos de fabricación.

"Realmente estamos estudiando un problema científico muy básico, que es lo que le pasa al metal cuando lo calienta con un láser de alta potencia, "dijo Cang Zhao, un postdoctorado de Argonne y el otro co-primer autor del artículo. "Debido a nuestra capacidad experimental única, podemos trabajar con nuestros colaboradores en experimentos que son realmente valiosos para los fabricantes ".

El equipo de investigación cree que esta investigación podría motivar a los fabricantes de máquinas de fabricación aditiva a ofrecer más flexibilidad al controlar las máquinas y que el uso mejorado de las máquinas podría conducir a una mejora significativa en el producto final. Además, si se ponen en práctica estos conocimientos, el proceso de impresión 3D podría ser más rápido.

"Es importante porque la impresión 3D en general es bastante lenta, "Dijo Rollett." Se necesitan horas para imprimir una pieza que tiene unas pocas pulgadas de alto. Está bien si puede permitirse pagar la técnica, pero tenemos que hacerlo mejor ".