Additiv tillverkning (AM, även känd som 3-D-utskrift) låter oss skapa otroligt komplexa former, vilket inte skulle vara möjligt med traditionell tillverkningsteknik. Dock, objekt skapade med AM har andra egenskaper än traditionella tillverkningsvägar, vilket ibland är en nackdel.

Laser additive manufacturing (LAM) använder en laser för att smälta samman metalliska, keramiska eller andra pulver till komplexa 3D-former, lager på lager. Kylningshastigheterna är extremt snabba, och eftersom de skiljer sig från konventionella processer vet vi inte de optimala förutsättningarna för att få de bästa egenskaperna, fördröja upptaget av LAM i produktionen av säkerhetskritiska tekniska strukturer, som turbinblad, energilagring och biomedicinsk utrustning. Vi behöver en metod för att se inuti processen med LAM för att bättre förstå och optimera interaktionen mellan laser och materia och pulverkonsolidering.

Baserad i forskningskomplexet i Harwell, ett team av forskare har arbetat med forskare vid I12, Joint Engineering Environment Processing (JEEP) strållinjen och den centrala laseranläggningen för att bygga en lasertillsatsmaskin för tillverkning av laser som arbetar på en strållinje, så att du kan se in i hjärtat av processen, avslöjar de underliggande fysiska fenomenen under LAM.

Professor Peter Lee från University of Manchester, som leder projektet förklarar:"LAM-processen är mycket snabb, sker på millisekunder, och för att undersöka behöver vi mikrosekundupplösning, vilket endast kan uppnås med briljansen av en synkrotron. Det låter oss följa processen från pulver, genom smältning och sedan stelning tillbaka till den slutliga fasta formen. På JEEP undersöker vi de superlegeringar som används i flygmotorer, och vi behöver den höga energin, hårda röntgenstrålar produceras där för att se inuti dem."

På plats, i operando röntgenröntgen

För denna forskning, teamet skapade en ny LAM-processreplikator, LAMPR, vilket gör att de kan avbilda och kvantifiera bildningen av smältspåret när skikten skrivs ut under AM. LAMPR designades för att passa på strållinjen och efterliknar ett kommersiellt LAM-system, med fönster som är genomskinliga för röntgenstrålar, gör det möjligt för forskare att se rätt in i hjärtat av LAM-processen när den äger rum. De använde röntgenröntgen med hög temporal och rumslig upplösning för att avslöja nyckelmekanismer för interaktion mellan laser och materia och pulverkonsolidering under LAM, inklusive bildandet och utvecklingen av smältspår, stänkmönster, den blottade zonen (en pulverfri zon) och porositeten i de avsatta skikten. Den tidsupplösta kvantifieringen av por- och stänkrörelserna gav avgörande information om deras flödeshastigheter och riktning, som inte är möjliga att förvärva med andra tekniker.

"LAMPR är en unik utrustning, och beamline stöd var helt avgörande. Vi arbetade med Diamond personal redan från att formulera förslaget. Diamond hjälpte till med den mekaniska designen, och optiken och integrering av LAMPR i styrsystemen", säger Dr Alex Leung, PDRA som leder experimenten.

Resultaten av dessa experiment klargör aspekter av fysiken bakom LAM, som är avgörande för dess utveckling. Den tidigare hypotesen var att bildandet av ytporositet på färdiga föremål berodde på ofullständig smältning eller otillräcklig vätskematning. Dock, denna forskning visar att den bildas via en porsprängningsmekanism. Porer nära ytan flyr ut i atmosfären, lämnar efter sig en ytfördjupning.

Ytterligare, teamets resultat visar att det kontinuerliga spåret av smält material ofta sker via försmältning före huvudspåret, drivs av ytspänning (Marangoni-flöde), innan det går över i huvudspåret. Metallånga och uppvärmning av inert gas är en potentiell källa till defekter, bildar en plym som skjuter ut pulver och smälta droppar bort från huvudspåret.

Genom att möjliggöra att varierande processförhållanden kan studeras, LAMPR gjorde det möjligt för teamet att skapa en processkarta som illustrerar hur man ställer in LAM-processen för att producera en kvalitetsprodukt med minimal trial and error. Till skillnad från en traditionell processkarta, synkrotronavbildning producerar en mekanismkarta, som avslöjar den grundläggande fysiken som begränsar processfönstret. Detta gör att legeringen, villkor eller till och med process som ska ändras för att övervinna restriktionerna och få en mer effektiv bearbetningsmiljö.

Denna metod kastar nytt ljus över mekanismerna för porbildning, inklusive migration, upplösning, dispersion, och sprängning av porer under LAM, och framtida undersökningar inom dessa områden kommer att fördjupa vår grundläggande förståelse för naturen av interaktionen mellan laser och materia.