Ett team från Lawrence Livermore National Laboratory visade att en diagnostik som innehåller akustiska ytvågor – genererade av laserbaserat ultraljud – effektivt och noggrant kunde utvärdera lasersmältlinjer och hitta defekter i laserpulverbädd fusionsmetall 3D-utskrift genom att sprida akustisk energi från smältlinjer, tomrum och ytegenskaper som snabbt kan upptäckas. Kredit:David Stobbe/LLNL
Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskare har utvecklat en ny helt optisk ultraljudsteknik som kan utföra on-demand karakterisering av smältspår och detektera bildandet av defekter i en populär metall 3D-utskriftsprocess.
I en artikel publicerad av Scientific Reports , föreslår laboratorieforskare en diagnostik som använder ytakustiska vågor (SAW), genererade av laserbaserat ultraljud, som kan avslöja små yt- och underytadefekter i 3D-utskrift av metall med laserpulverbäddfusion (LPBF). Teamet rapporterade att systemet de utvecklade effektivt och exakt kan utvärdera lasersmältlinjer – spåren där lasern gör metallpulver flytande i LPBF-utskrift – genom att sprida akustisk energi från smältlinjer, tomrum och ytegenskaper som snabbt kan upptäckas. Teamet validerade fynden med hjälp av optisk mikroskopi och röntgendatortomografi (CT).
"Vi hoppas att detta arbete visar potentialen för ett helt optiskt ultraljudssystem som kan snabbt, on-demand in situ karakterisering av LPBF-processer och pulver", säger LLNL:s ingenjör och huvudutredare David Stobbe. "Det demonstrerade laserbaserade ultraljudssystemet för akustiska vågor på ytan visade utmärkt känslighet för egenskaper på ytan och nära ytan, inklusive brott i LPBF-smältlinjen, metallytstänk och lufthålrum under ytan."
Akustiska ytvågor har historiskt använts för att karakterisera yt- och ytnära egenskaper såsom sprickor, gropar och svetsar i tekniska material, och används inom geologi - i en mycket större längdskala - för att upptäcka underjordiska egenskaper som grottor. På grund av sin ytkänslighet och känslighet nära ytan är SAW väl lämpade för att karakterisera smältlinjer i LPBF-utskrift, enligt forskare.
För att testa denna potential genomförde LLNL-teamet experiment genom att producera lasersmälta linjer med hjälp av en fiberlaser riktad in i en vakuumkammare och producerade prover av titanlegering för analys med 100-watt, 150-watt och 350-watt-drivna lasrar. Därefter utvecklade de en metod för att producera och detektera akustiska ytvågor, med hjälp av en pulsad laser för att generera ultraljud och mätte förskjutningen med en fotorefraktiv Iaser-interferometer.
Teamet utförde också simuleringar för att informera de experimentella mätningarna och hjälpa till med att tolka resultaten. De simulerade och mätte förskjutningen från den pulsade lasern och visade spridning från smältlinjen, såväl som brott i smältlinjen, metallstänk intill smältlinjen och lufthålrum under ytan under smältlinjen. Teamet mätte samma egenskaper experimentellt och observerade utmärkt överensstämmelse mellan simulering och experiment.
Resultaten från laserbaserade ultraljudsexperiment (LBU) validerades med optisk mikroskopi för ytegenskaperna och röntgendatortomografi för de underjordiska egenskaperna. Forskare rapporterade att i jämförelse med röntgen-CT är LBU-systemet "bättre positionerat för att utföra realtidsinspektion och kan inhämta och bearbeta data i en snabbare takt."
"Att använda det laserbaserade ultraljudet förkortade avsevärt tiden för hålrumsdetektion under ytan jämfört med konventionell röntgen-CT från dagar till minuter", säger LLNL-ingenjören och huvudförfattaren Kathryn Harke. "Även om mer utveckling skulle behöva göras innan implementeringen av denna diagnostik för övervakning under processen, är vårt team glada över dessa initiala resultat."
Laboratorieforskare sa att även om metoden är väl lämpad för in situ-implementering i LPBF-utskrift, finns det gränser för storleken och djupet av detekterbara tomrum, och in situ-övervakning eller post-build-inspektion skulle kräva ytterligare utveckling.
"Ett system som detta kan komma att användas för att snabbt kvalificera nya LPBF-maskiner och maskiner i drift efter ändringar av metallpulverråvara eller modifieringar av smältlaserkraften eller skanningshastigheten," sa Stobbe.
Laboratoriets medförfattare inkluderade Joe Tringe, som tänkte ut idén och LDRD-projektet, och Nick Calta, som designade LPBF-proverna och utförde optisk mikroskopi. + Utforska vidare
