Medan laserbaserade 3D-utskriftstekniker har revolutionerat tillverkningen av metalldelar genom att kraftigt utöka designkomplexiteten, laserstrålarna som traditionellt används i metalltryck har nackdelar som kan leda till defekter och dålig mekanisk prestanda.

Forskare vid Lawrence Livermore National Laboratory tar upp problemet genom att utforska alternativa former till de gaussiska strålarna som vanligtvis används i högtrycksprocesser med laserutskrift, såsom laserpulverbäddssmältning (LBPF). I ett papper publicerat av Vetenskapliga framsteg , forskare experimenterade med exotiska optiska strålformer som kallas Besselstrålar-som påminner om bullseye-mönster-som har ett antal unika egenskaper som självläkning och icke-diffraktion. De upptäckte att tillämpningen av dessa typer av balkar minskade sannolikheten för porbildning och "nyckelhål, "ett porositetsinducerande fenomen i LPBF som förvärras av användningen av gaussiska strålar. Arbetet finns på tidningens 17 september-omslag.

LLNL -forskare sa att arbetet indikerar att alternativa former som Bessel -strålar kan lindra de främsta bekymmerna i LBPF -tekniken - den stora termiska gradienten och den komplexa smältpoolsinstabiliteten som uppstår där lasern möter metallpulvret. Problemen orsakas huvudsakligen av gaussiska strålformer som de flesta på hyllan, högeffektslasersystem matar normalt ut.

"Att använda gaussiska balkar är ungefär som att använda en eldkastare för att laga din mat; du har inte mycket kontroll över hur värme avsätts runt materialet, "sa huvudförfattaren och LLNL -forskaren Thej Tumkur Umanath." Med en Bessel -stråle, det faktum att vi omfördelar en del av den energin bort från centrum betyder att vi kan konstruera termiska profiler och minska termiska gradienter för att underlätta mikrostrukturell kornförädling och, i sista hand, resulterar i tätare delar och jämnare ytor. "

Tumkur, som också vann ett förstaplats vid LLNL:s Postdoc Research Slam 2019! tävling om arbetet, nämnda Besselstrålar expanderar signifikant laserskanningsparameterutrymmet över traditionella gaussiska strålformar. Resultatet är idealiska smältbassänger som inte är för grunda och inte lider av nyckelhål - ett fenomen där lasern skapar en stark ånga och orsakar en djup hålighet i metallsubstratet under byggnader, som LLNL -forskare tidigare har funnit. Nyckelhål skapar bubblor i smältbassängen som bildar porer och leder till försämrad mekanisk prestanda i färdiga delar.

En annan nackdel med konventionella balkar är att de är benägna att diffraktion (spridning) när de förökar sig. Besselstrålar ger ett större fokusdjup på grund av deras icke-diffraktiva egenskaper. Följaktligen, författarna observerade en ökad tolerans för placeringen av arbetsstycket med avseende på laserns brännpunkt med hjälp av Bessel -strålar. Placering är en utmaning för industrisystem som ofta förlitar sig på dyra och känsliga tekniker för att placera en pågående byggnad inom den fokuserade strålens fokusdjup varje gång ett lager metallpulver deponeras.

"Besselstrålar har använts i stor utsträckning vid avbildning, mikroskopi och andra optiska applikationer för deras icke-diffraktiva och självläkande egenskaper, men strålformstekniska tillvägagångssätt är ganska ovanliga i laserbaserade tillverkningstillämpningar, "Tumkur förklarade." Vårt arbete tar upp den skenbara kopplingen mellan optisk fysik och materialteknik i metalltillsatstillverkningssamhället genom att införliva designerstråleformer för att uppnå kontroll över smältbassängens dynamik. "

LLNL -teamet formade strålarna genom att köra lasern genom två koniska linser för att producera en munkform, innan den passerar genom ytterligare optik och en skanner för att skapa "ringar" runt den centrala strålen. Installerad i en kommersiell tryckmaskin i LLNL:s Advanced Manufacturing Laboratory, forskarna använde den experimentella installationen för att skriva ut kuber och andra former från pulver av rostfritt stål.

Genom höghastighetsavbildning, forskare studerade dynamiken i smältbassängen, observera en avsevärd minskning av smältpoolsturbulens och lindring av "stänk" - de smälta metallpartiklarna som flyger från laserns väg under en byggnad - vilket i allmänhet leder till porbildning.

I mekaniska studier och simuleringar, laget fann att delar byggda med Bessel -balkar var tätare, starkare och hade mer robusta dragegenskaper än strukturer byggda med konventionella gaussiska balkar.

"Industrin har länge sökt möjligheten att öka kontrollen över LPBF -processen för att minimera defekter, "sade Ibo Matthews, huvudutredare på projektet innan han blev LLNL:s materialavdelningsledare. "Att introducera komplex struktur till laserstrålen ger ökad flexibilitet för att exakt styra laser-materialinteraktionen, värmeavsättning och slutligen kvaliteten på utskrifterna. "

LLNL-datavetenskapsmannen Saad Khairallah använde den LLNL-utvecklade multifysik-koden ALE3D för att simulera interaktionen mellan både gaussiska och Bessel-strållaserformer med enkla spår av metallpulvermaterial. Genom att jämföra de resulterande spåren, laget fann att Bessel -strålen visade förbättrade termiska gradienter över gaussiska strålar, uppmuntra till bättre mikrostrukturbildning. De uppnådde också bättre energifördelning med Bessel -balkar, undvika "hot spot" -generationen som finns i gaussiska balkar, som producerar djupa smältbassänger och bildar porer.

"Simuleringar gör att du kan få en detaljerad diagnostik av fysiken som äger rum och därför kan du förstå de grundläggande mekanismerna bakom våra experimentella fynd, "Sa Khairallah.

Bara en av många vägar för att förbättra kvaliteten på 3D -tryckta metalldelar som studeras vid LLNL, strålformning är ett billigare alternativ än alternativa skanningsstrategier eftersom det kan göras till låg kostnad genom att införliva enkla optiska element och kan minska kostnaderna och tiden som är involverad i efterbehandlingstekniker som vanligtvis behövs för delar byggda med gaussiska strålar, Sa Tumkur.

"Det finns ett stort behov av att tillverka delar som är robusta och defektfria, med förmågan att skriva ut mycket stora strukturer på ett kostnadseffektivt sätt, "Tumkur sa." För att göra 3D -utskrift verkligen kompatibelt med industriella standarder och gå längre än konventionella tillverkningsmetoder, vi måste ta itu med några grundläggande problem som uppstår vid mycket korta tidsregimer och mikrostrukturella skalor. Jag tror att strålformning verkligen är vägen att gå eftersom den kan tillämpas för att skriva ut ett stort antal metaller överallt och införlivas i kommersiella utskriftssystem utan att innebära betydande integrerbarhetsutmaningar som andra alternativa tekniker tenderar att göra. "