Laser Additive Manufacturing sviluppo avanzato di tecniche di stampa 3D basate sul laser controlli al sincrotone

I ricercatori del centro di ricerca della Diamond Light Source nel Regno Unito, che si trova nel campus di scienza e innovazione di Harwell nell’Oxfordshire, hanno lavorato a un nuovo progetto per lo sviluppo avanzato di tecniche di stampa 3D basate sul laser. In collaborazione con gli scienziati di I12, la beamline Joint Engineering Environment Processing (JEEP) e il Central Laser Facility, hanno costruito una macchina LAM (Laser Additive Manufacturing) che opera su una beamline, consentendo agli utenti di vedere nel cuore del processo e rivelando i vari fenomeni fisici sottostanti che si verificano durante la LAM.

I processi LAM sono utili per creare oggetti 3D con geometrie complesse in un tempo relativamente breve, e lavorano dirigendo un laser per fondere selettivamente un letto di metallo o polvere di ceramica, che poi si solidifica e si fonde insieme per accumularsi la forma desiderata, strato per strato.

Le velocità di raffreddamento per il processo LAM sono estremamente rapide e, poiché sono diverse dai processi di produzione convenzionali, è difficile sapere quali sono le condizioni ottimali per ottenere le migliori proprietà possibili. Questa mancanza di conoscenza sta ritardando l’adozione di LAM nella produzione di strutture di ingegneria critiche per la sicurezza come pale di turbine, sistemi di stoccaggio di energia e dispositivi biomedici. Abbiamo già riferito di progetti di ricerca in corso per migliorare il processo di stampa 3D in metallo , con una conoscenza più precisa di ciò che accade nel pool di fusione essendo generalmente l’area di studio più promettente. Quest’ultimo studio è stato uno dei più avanzati finora, in quanto ha sfruttato il potente sistema di imaging con sincrotrone della sorgente di luce di diamante.

Secondo il professor Peter Lee dell’Università di Manchester, che sta conducendo questo progetto, “Il processo LAM è molto veloce, si svolge in millisecondi, e per investigare abbiamo bisogno di una risoluzione al microsecondo, che può essere raggiunta solo con la brillantezza di un sincrotrone. Ci permette di seguire il processo dalla polvere, attraverso la fusione e poi la solidificazione verso la forma solida finale: su JEEP stiamo studiando le superleghe usate nei motori aeronautici e abbiamo bisogno di raggi X ad alta energia e forte prodotti lì per vederli al loro interno “.

Il team ha sviluppato un nuovo replicatore di processo LAM, noto come LAMPR. Ciò ha permesso loro di immaginare e quantificare la formazione della traccia di fusione, poiché gli strati sono stati stampati durante il processo AM. Il LAMPR è stato progettato per adattarsi alla beamline e simula il modo in cui funziona un sistema LAM commerciale, con finestre aggiuntive trasparenti ai raggi X per consentire agli scienziati di vedere direttamente nel cuore del processo LAM nel momento in cui avviene. Il LAMPR ha messo in luce vari meccanismi importanti nel processo LAM, tra cui la formazione e l’evoluzione delle piste di fusione, i pattern di spruzzi, la zona denudata (una zona priva di polvere) e la porosità negli strati depositati.

Un risultato chiave del LAMPR è che la porosità della superficie degli oggetti stampati LAM 3D è spesso causata da un meccanismo di rottura dei pori, in cui i pori vicino alla superficie scappano nell’atmosfera, lasciando una depressione superficiale. Questo ha smentito una precedente ipotesi che suggeriva che la fusione incompleta fosse da biasimare. Il team ha anche scoperto che il pre-fusione causato dalla tensione superficiale ha portato al rilascio di vapori metallici e al riscaldamento del gas inerte, che era un’altra potenziale fonte di difetti, formando un pennacchio che espelle la polvere e goccioline fuse dalla traccia principale.

Il team ha utilizzato le proprie ricerche per creare una mappa dei processi, che illustra come ottimizzare e ottimizzare i vari parametri del processo LAM per produrre un prodotto di qualità migliore con prove ed errori minimi. I risultati della loro ricerca sono stati dettagliati in un documento dal titolo “Imaging a raggi X in situ del difetto e della dinamica del pool fuso nella produzione additiva laser”, pubblicato sulla rivista Nature Communications .

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