Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskare har tagit ett lovande steg för att förbättra tillförlitligheten hos laserbaserade 3-D-utskriftstekniker av metall genom att mäta emissionen av elektroner från ytan av rostfritt stål under laserbearbetning.

Forskare samlade termioniska emissionssignaler från 316L rostfritt stål under laserpulverbäddfusionsförhållanden (LPBF) med hjälp av en anpassad, testbäddsystem och en strömförförstärkare som mätte flödet av elektroner mellan metallytan och kammaren. Sedan använde de den genererade termioniska emissionen för att identifiera dynamik orsakad av laser-metallinteraktioner. Journalen Kommunikationsmaterial publicerade verket på nätet den 27 november.

Teamet sa att resultaten illustrerar potentialen för termionisk emissionsavkänning för att upptäcka laserdrivna fenomen som kan orsaka defekter i delar, optimera byggparametrar och förbättra kunskapen om LPBF-processen samtidigt som de kompletterar befintliga diagnostiska funktioner. Forskare sa att förmågan att fånga termisk emission av elektroner kommer att bidra till att främja grundläggande förståelse för laser-material interaktionsdynamiken som är involverad i LPBF-processen och stödja den bredare teknikmognadsgemenskapen i att bygga förtroende för delar som skapats med tekniken.

"Att producera defektfria delar är ett stort hinder för utbredd kommersiell användning av metalltillsatstillverkning (AM), ", sade huvudforskaren Aiden Martin. "LLNL-forskare har tagit itu med detta problem genom att utveckla processer och diagnostiska verktyg för att förbättra tillförlitligheten hos metall AM. Denna nya metod kompletterar dessa befintliga diagnostiska verktyg för att öka vår förståelse för 3D-utskriftsprocessen. Våra nästa steg är att utöka denna teknik till en sensor som arbetar på ett fullskaligt LPBF-system för att öka förtroendet för kvaliteten på byggde delar."

Forskare sa att även om betydande forskning har gjorts för att förstå och mäta hur delar skrivs ut med LPBF genom optisk bildbehandling, röntgenbilder eller mätning av termiska eller akustiska signalemissioner, termionemission har förbisetts. Men genom att observera och analysera elektronerna som emitteras under laserbehandling, Laboratorieforskare visade att de kunde koppla ökningar i termionemission till yttemperatur och laserskanningsförhållanden som orsakar porbildning och delar defekter.

Genom experimentell data och simulering, forskare rapporterade att den termioniska emissionssignalen ökade exponentiellt, och smältbassängens djup ökade linjärt, med lokal energitäthet, demonstrerar det "kritiska beroendet" av metallens yttemperatur på termioniska emissioner och nyttan av att använda termioniska signaler som ett sätt att optimera laserfokus i LPBF.

"Elektronemission vid tillverkning av metalltillsatser har i allmänhet förbisetts av samhället, och vi var glada över att observera dess extrema känslighet för processförhållanden, " sa första författaren och LLNL-ingenjören Phil DePond.

Teamets observationer avslöjade att plasmabildning under LPBF-processen, som de tidigare tillskrev joniseringen av förångad metall med laserstrålen, kan också orsakas av elektroner som skjuter ut från metallytan in i argongasatmosfären och interagerar med lasern.

Forskare sa att termionemissionens höga känslighet för yttemperatur och ytmorfologi gör det möjligt för dem att bestämma den exakta övergångspunkten mellan ledning och nyckelhålsbildning, vilket resulterar i porbildning i delar. De drog slutsatsen att resultaten visar att termioniska signaler kan användas effektivt med traditionella LPBF-datainsamlings- och bearbetningsmetoder, förbättra den vetenskapliga kunskapen om interaktioner mellan laser och material och identifiera var defekter kan uppstå.

Mer allmänt, arbetet "representerar ett viktigt steg mot att etablera effektiva in situ-övervakningsmöjligheter som kan påskynda kvalificering och certifiering av LPBF-komponenter, " sa medförfattare och gruppledare för lasermaterialinteraktionsvetenskap Manyalibo "Ibo" Matthews.