Den avancerade fotonkällan genererar högenergiröntgenstrålar som visar 3D-utskrift i nästan realtid. Upphovsman:Argonne National Laboratory
Tillägget av en ny infraröd kamera vid Argonnes Advanced Photon Source minskar klyftan mellan grundläggande och tillämpad forskning inom additiv tillverkning.
En av de största utmaningarna för 3D-utskriftsindustrin är hur man säkerställer högkvalitativ reproducerbarhet av delar. Utan bättre insikter om hur man upptäcker och stoppar defekter, tekniken har begränsningar när man tillverkar varudelar.
Den välbehövliga insikten finns inom industridesigners fingertoppar nu, tack vare ett nytt verktyg tillgängligt för industrin och forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Argonne National Laboratory. Installationen av en infraröd kamera till högenergiröntgenkällan vid Argonnes Advanced Photon Source, en användaranläggning för DOE Office of Science, gör det möjligt för forskare att mäta termiska signaturer över ytor i realtid.
Argonne var det första amerikanska nationella laboratoriet som integrerade en 3D-utskriftsapparat av metall i en strållinje, eller fotonväg, för röntgendiagnostik. Det är också det enda nationella laboratoriet som kan se metallpulvret smälta inom det så kallade "smältbassängområdet" på mindre än en nanosekund. Att lägga till den infraröda höghastighetskameran till en synkrotronstrållinje är en annan första, och gör det möjligt för forskare att närmare replikera de deponeringsprocesser som sker på ett verkligt tillverkningsgolv.
De kombinerade diagnosverktygen låter industrin och forskare ta röntgenbilder vid 1, 000, 000 bilder per sekund och värmebilder vid 100, 000 bilder per sekund under 3D-utskriftsprocesserna. Detta skapar filmer om bildandet av viktiga defekter orsakade av smältpoolsinstabilitet, utstötning av pulverstänk och olämplig skanningsstrategi.
Tillsammans, infraröd och röntgenbilder kan hjälpa forskare att bättre förstå 3D-utskriftsprocessen. Kredit:Argonne National Laboratory
Kompletterande bildbehandling
Används sida vid sida med röntgenmikroskopi, höghastighets termisk avbildning kan ge nya insikter om hur mycket och hur snabbt olika regioner i delen värms upp och svalnar under hela bygget, som involverar miljontals laserlinjeskanningar. Dessa insikter kan användas för att minska variationer i konstruktion av delar, och förbättra effektiviteten av additiv tillverkning för konsumentprodukter, försvar, medicin, fordon och många andra fälttillämpningar.
"Infraröd och röntgenbilder kompletterar varandra, ", sa Argonne-fysikern Tao Sun. "Från ena sidan har du röntgenstrålar som penetrerar provet för att hjälpa dig se mikrostrukturerna utan någon termisk information, medan du på den andra har den infraröda kameran som fångar många termiska signaturer. "
Ett sätt som den infraröda kameran förstärker röntgenbilden är genom att hjälpa till att visualisera bildandet av plymer av förångat pulver, som bildas när lasern träffar och rör sig över pulvret. Dessa plymer, hög värme, kan störa laserns prestanda.
Dessa plymer kan inte ses med enbart röntgenstrålar på grund av partiklarnas förångade tillstånd, men fångas upp av infrarött ljus. Vid sidan av mätningar med röntgenstrålar, sådana uppgifter, såväl som andra viktiga parametrar inklusive uppvärmnings- och kylhastigheter, kan matas in i modeller för 3D-utskrift för att förbättra deras noggrannhet och hastighet.
Att överbrygga grundläggande och tillämpad vetenskap
Med en ny infraröd kamera, Argonne-forskare kan fördjupa sig i den detaljerade dynamiken i 3D-utskrift genom att mäta termiska signaturer över ytor i realtid. Upphovsman:Shutterstock / MarinaGrigorivna
En annan viktig fördel med infraröda kameror är deras förmåga att integreras i additiv tillverkningssystem, föra den grundläggande forskningen som görs vid APS närmare verkliga användare.
Sun och Greco ser en framtid där användare av additiv tillverkningssystem kan ansluta infraröda kameror till sina maskiner för att dra nytta av insikter från koppling av röntgen och infraröd avbildning, såsom en termisk signatur (hittad genom infraröd avbildning) korrelerad med bildandet av en defekt (fångad genom röntgenbild). Om hittad, användare kunde peka ut när defekter bildades i deras egna system baserat på en given signatur, och vidta förebyggande åtgärder för att mildra eller åtgärda problemet.
Sådana potentiella tillämpningar ligger långt borta i framtiden, Sun sa, men exemplifiera de potentiella fördelarna med att integrera båda avbildningsteknikerna.
"Alla har inte turen att ha tillgång till en kraftfull röntgenljuskälla som APS, så om vi kan hitta sätt att leverera information och utnyttja verktyg som de flesta människor har tillgång till, som värmekameror, vi kan få ännu större inverkan på fältet, " han sa.
Den infraröda kameran är placerad vid Advanced Photon Source 32-ID-B-stråle. IR-kameran finansierades genom ett LDRD-program som en del av Argonnes Manufacturing Science and Engineering Program. Se en video om denna nya teknik här.
