En teknik som ursprungligen utvecklades för att jämna ut och mönstra högeffekts laserstrålar för National Ignition Facility (NIF) kan användas för att 3D-skriva ut metallföremål snabbare än någonsin tidigare, enligt en ny studie av Lawrence Livermore-forskare.

Ett team av laboratorieforskare rapporterar resultaten i det senaste numret av Optik Express , publicerades online den 15 maj. Den här nya metoden – diodbaserad additiv tillverkning (DiAM) – använder kraftfulla arrayer av laserdioder, en Q-switchad laser och en specialiserad lasermodulator utvecklad för NIF för att flashprinta ett helt lager metallpulver åt gången, istället för rasterskanning med laser över varje lager, som med konventionella laserbaserade PBFAM-system (fusion additive manufacturing).

Resultatet, forskare sa, är möjligheten att stora metallföremål kan skrivas ut på en bråkdel av den tid som behövs för 3D-skrivare av metall på marknaden idag, utökade möjligheter för industrier som kräver större metalldelar, såsom flyg- och bilindustrin. Kombinationen av hastighet och grad av designflexibilitet som erbjuds genom DiAM-metoden, laget avslutade, är potentiellt "långt bortom" det för nuvarande pulverbäddsfusionsbaserade system.

"Genom att minska utskriftstiden och ha förmågan att uppskala, denna process kan revolutionera tillverkningen av metalltillsatser, " sa Ibo Matthews, en LLNL-forskare som leder forskningen och artikelns huvudförfattare. "Belysningstiden sparar, vi uppskattar, är sådan att en byggnad på en kubikmeter som skulle kräva 10 års rasterskannad belysning att göra bara skulle kräva några timmar med DiAM, eftersom du kan avbilda varje lager samtidigt. Utskrift med en gråskalig bild kan också ge dig möjlighet att minska kvarvarande spänning eftersom du kan skräddarsy de termiska spänningarna rumsligt och tidsmässigt."

Processens "magi" Matthews sa, är implementeringen av en skräddarsydd lasermodulator som kallas en Optically Addressable Light Valve (OALV), som innehåller en flytande kristallcell och fotokonduktiv kristall i serie. Ungefär som en flytande kristall-baserad projektor, forskare förklarade, OALV används för att dynamiskt skulptera laserljuset med hög effekt enligt förprogrammerade lager-för-lager-bilder. Men till skillnad från en konventionell projektor med flytande kristaller, OALV är opixelerad och kan hantera höga lasereffekter.

Tekniken designades ursprungligen för och installerades i NIF som en del av LEOPARD-systemet (Laser Energy Optimization by Precision Adjustments to the Radiant Distribution), som togs i bruk 2010 och vann ett R&D 100-pris 2012. I NIF, OALV används för att optimera profilen för laserstrålarna och lokalt skugga och skydda optik som utsätts för högre intensiteter och fluenser (eller energitäthet – mängden laserenergi för en given enhetsarea). Med LEOPARD, NIF skyddar elektroniskt delar av dess strålar som innehåller potentiellt hotande brister på dess slutliga optik, som identifierats av FODI-systemet (Final Optics Damage Inspection). Detta gör det möjligt för NIF att fortsätta skjuta tills schemat tillåter att optiken tas bort, repareras och återinförs i strållinjen.

Teamet som först visade att ljusventilen kunde användas för att skriva ut delar leddes från början av James DeMuth, en före detta LLNL-forskare. John Heebner, LLNL-forskaren som ledde utvecklingen av OALV beskrev dess användning i metall 3-D-utskrift som en "naturlig synergi."

"DiAM-projektet kombinerar två tekniker som vi har banat väg för på laboratoriet - högeffektlaserdiodmatriser och OALV, ", sa Heebner. "Med tanke på att vi lägger all denna tid och utveckling på denna ljusventil, det blev en naturlig förlängning att tillämpa det på detta projekt. Vi gick igenom några beräkningar och det stod klart från början att det skulle fungera (med 3-D-utskrift). Möjligheten att ändra en seriell process till en parallell process är avgörande för att säkerställa att när delar ökar i komplexitet eller storlek kan mönstringsprocessens hastighet ökas för att komma ikapp."

Förutom förmågan att potentiellt producera större delar, att använda en sådan ventil resulterar i bildkvalitet som konkurrerar med och kan överträffa dagens 3-D-skrivare av metall, och förmågan att finjustera gradienter i den projicerade bilden innebär bättre kontroll över kvarvarande stress och materialmikrostruktur, sa forskare.

Med DiAM-utskrift, laserljuset kommer från en uppsättning av fyra diodlasermatriser och en nanosekundspulsad laser. Den passerar genom OALV, som mönstrar en bild av en tvådimensionell "skiva" av den önskade 3D-delen. Bilderna går från en digital datorfil till lasern i en tvåstegs flytande kristallmoduleringsprocess. I det första skedet, bilderna kommer från en digitaliserad CAD-modell och trycks på en blå LED-källa med låg effekt med en vanlig, pixlad projektor med flytande kristaller. I det andra steget, de blå bilderna aktiverar OALV:s fotokonduktiva skikt och skapar lokala ledande fläckar (där blått ljus finns) som överför spänning till dess flytande kristallskikt. Detta gör att de blåa bilderna med låg effekt kan modulera laserstrålen med hög effekt. Strålen riktas sedan mot ett byggplan, skriva ut hela metallskiktet på en gång. För studien, forskarna använde tennpulver, framgångsrikt demonstrerat utskrift av två små 3D-modeller, ett pumphjul (en liten turbinbladstruktur) och LLNL-logotyp.

Samtidigt som att påskynda metalltillsatsprocessen var en viktig drivkraft för att driva tekniken vid LLNL, den större byggnadsstorleken kan potentiellt ha ett betydande värde för labbets kärnuppdrag med lagerförvaltning, sa forskarna. Laserdioderna - som ger det mesta av energin jämfört med det pulserade lasersystemet - är också billiga att köpa, så ett sådant system skulle vara mer kostnadseffektivt än fiberlaserbaserade maskiner på marknaden idag.