Los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) han desarrollado una nueva técnica de ultrasonido totalmente óptica capaz de realizar la caracterización bajo demanda de pistas de fusión y detectar la formación de defectos en un popular proceso de impresión 3D de metal.

En un artículo publicado por Scientific Reports , los investigadores del laboratorio proponen un diagnóstico que utiliza ondas acústicas superficiales (SAW), generadas por ultrasonido basado en láser, que pueden revelar pequeños defectos superficiales y subterráneos en la impresión 3D de metal por fusión de lecho de polvo láser (LPBF). El equipo informó que el sistema que desarrollaron puede evaluar de manera efectiva y precisa las líneas de fusión del láser, las pistas donde el láser licua el polvo metálico en la impresión LPBF, al dispersar la energía acústica de las líneas de fusión, los vacíos y las características de la superficie que se pueden detectar rápidamente. El equipo validó los hallazgos mediante microscopía óptica y tomografía computarizada (TC) de rayos X.

"Esperamos que este trabajo demuestre el potencial de un sistema de ultrasonido totalmente óptico capaz de una caracterización in situ rápida y bajo demanda de procesos y polvos LPBF", dijo el ingeniero e investigador principal del LLNL, David Stobbe. "El sistema de ondas acústicas superficiales basado en ultrasonido basado en láser demostrado mostró una excelente sensibilidad a las características superficiales y cercanas a la superficie, incluidas las rupturas en la línea de fusión LPBF, las salpicaduras de la superficie metálica y los vacíos de aire bajo la superficie".

Históricamente, las ondas acústicas superficiales se han utilizado para caracterizar características superficiales y cercanas a la superficie, como grietas, hoyos y soldaduras en materiales de ingeniería, y se utilizan en geología, en una escala de longitud mucho mayor, para detectar características subterráneas como cuevas. Según los investigadores, debido a su sensibilidad superficial y cercana a la superficie, las SAW son adecuadas para caracterizar las líneas de fusión en la impresión LPBF.

Para probar este potencial, el equipo de LLNL llevó a cabo experimentos mediante la producción de líneas fundidas con láser utilizando un láser de fibra dirigido a una cámara de vacío y produjo muestras de aleación de titanio para su análisis con láseres de 100, 150 y 350 vatios. A continuación, desarrollaron un método para producir y detectar ondas acústicas superficiales utilizando un láser pulsado para generar ultrasonido y midieron el desplazamiento con un interferómetro láser fotorrefractivo.

El equipo también realizó simulaciones para informar las mediciones experimentales y ayudar a interpretar los resultados. Simularon y midieron el desplazamiento del láser pulsado y mostraron dispersión desde la línea de fusión, así como roturas en la línea de fusión, salpicaduras de metal adyacentes a la línea de fusión y vacíos de aire debajo de la superficie debajo de la línea de fusión. El equipo midió las mismas características experimentalmente y observó una excelente concordancia entre la simulación y el experimento.

Los resultados de los experimentos de ultrasonido basado en láser (LBU) se validaron con microscopía óptica, para las características de la superficie, y tomografía computarizada de rayos X para las características del subsuelo. Los investigadores informaron que, en comparación con la tomografía computarizada de rayos X, el sistema LBU está "mejor posicionado para realizar inspecciones en tiempo real y puede adquirir y procesar datos a un ritmo más rápido".

"Utilizar el ultrasonido basado en láser acortó significativamente el tiempo para la detección de vacíos subterráneos en comparación con la TC de rayos X convencional de días a minutos", dijo la ingeniera de LLNL y autora principal Kathryn Harke. "Si bien sería necesario realizar más desarrollo antes de implementar este diagnóstico para el monitoreo en proceso, nuestro equipo está entusiasmado con estos hallazgos iniciales".

Los investigadores del laboratorio dijeron que, si bien el método es adecuado para la implementación in situ en la impresión LPBF, existen límites en el tamaño y la profundidad de los vacíos detectables, y el monitoreo in situ o la inspección posterior a la construcción requerirían un mayor desarrollo.

"Un sistema como este puede encontrar uso para calificar rápidamente nuevas máquinas LPBF y máquinas en servicio después de cambios en la materia prima de polvo metálico o modificaciones en la potencia del láser de fusión o la velocidad de escaneo", dijo Stobbe.

Los coautores del laboratorio incluyeron a Joe Tringe, quien concibió la idea y el proyecto LDRD, y Nick Calta, quien diseñó las muestras LPBF y realizó microscopía óptica. + Explora más

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