Laserpulverbäddfusion är en dominerande additiv tillverkningsteknik som ännu inte har nått sin potential. Problemet som industrin står inför är att små bubblor eller porer ibland bildas under tryckprocessen, och dessa porer skapar svaga punkter i färdiga produkter.

När en långsam hastighet, högeffektlaser smälter metallpulver under 3D-utskrift av en del, ett nyckelhålsformat hålrum i smältbassängen kan uppstå. Porer, dvs defekter, form i botten av nyckelhålet. Ny forskning publicerad i Vetenskap avslöjar hur porerna genereras och blir defekter som fångas i stelnande metall.

"Det verkliga praktiska värdet av denna forskning är att vi kan vara exakta när det gäller att kontrollera maskinerna för att undvika detta problem, " säger Anthony D. Rollett, en professor i materialvetenskap och ingenjörsvetenskap vid Carnegie Mellon College of Engineering och en ledande medförfattare till artikeln, "Kritisk instabilitet vid rörlig nyckelhålsspets genererar porositet vid lasersmältning."

Bygger på tidigare forskning som kvantifierat nyckelhålsfenomenet, forskargruppen använde extremt ljusstarka högenergiröntgenbilder för att se instabiliteten i nyckelhålet. Porer bildas vid fluktuationer i nyckelhålet, och den ändrar sin form:nyckelhålsspetsen förvandlas till en "J"-form och nyper av. Detta instabila beteende genererar akustiska vågor i den flytande metallen som tvingar bort porerna från nyckelhålet så att de överlever tillräckligt länge för att fastna i den återstelnande metallen. Teamet är det första att fokusera på detta beteende och identifiera vad som händer.

"När du har ett djupt nyckelhål, väggarna svänger kraftigt. Ibland, svängningarna är tillräckligt starka i botten av nyckelhålet att de klämmer av, lämnar en stor bubbla efter sig. Ibland återansluter denna bubbla aldrig till huvudnyckelhålet. Den kollapsar och genererar en akustisk stötvåg. Detta trycker bort de återstående porerna från nyckelhålet, " förklarar Rolett.

Det är viktigt att notera att nyckelhål i sig inte är brister och, t.ex., de ökar laserns effektivitet. Använder synkrotronröntgenutrustning vid Argonne National Laboratories, den enda anläggningen i USA där forskarna kunde köra dessa experiment, de noterade att det finns en väldefinierad gräns mellan stabila kontra instabila nyckelhål.

"Så länge du håller dig utanför farozonen [dvs. för het, för långsam], risken för att lämna defekter efter sig är ganska liten, säger Rollett.

Fluktuationer i nyckelhålets djup ökar kraftigt med minskande skanningshastighet och laserkraft på den instabila sidan av gränsen.

"Du kan tänka på gränsen som en hastighetsbegränsning, förutom att det är motsatsen till att köra bil. I detta fall, det blir farligare när du går långsammare. Om du är under hastighetsgränsen, då skapar du nästan säkert en defekt, ", tillägger Rollett.

I en bredare skala, genom att bevisa förekomsten av väldefinierade nyckelhåls porositetsgränser och demonstrera förmågan att reproducera dem, vetenskap kan erbjuda en säkrare grund för att förutsäga och förbättra tryckprocesser. Rolett, som är fakultetsmeddirektör för Carnegie Mellon's Next Manufacturing Center, tror att resultaten från denna forskning snabbt kommer att hitta vägen till hur företag använder sina 3-D-skrivare.