NIST ottiene un controllo migliore del laser in fase di fusione con il letto di polvere laser 

Il NIST ottiene un migliore controllo del laser in fase di fusione con il letto di polvere laser

La stampa 3D laser a letto in polvere (LPBF) utilizza un laser focalizzato ad alta potenza per fondere selettivamente i motivi geometrici in polvere metallica e creare un oggetto a forma libera quasi completamente denso. Il processo e la qualità della parte risultante sono influenzati da molti parametri di processo e la posizione, la potenza e la velocità del laser devono essere tutti ben controllati, in base alle caratteristiche dello strato di polvere, al fine di ottenere strati adiacenti adeguatamente fusi e scansiona le tracce.

I difetti LPBF possono verificarsi quando questi parametri laser sono combinati in modo errato e sono state pubblicate ricerche su ipotesi come la formatura di raggi laser per migliorare le proprietà e utilizzare la giusta fonte di calore . Ma avere profili di potenza o densità controllati meglio lungo i percorsi di scansione può ridurre la probabilità di formazione di difetti.

Un team di ricercatori del National Institute of Standards and Technology ( NIST ), che ha realizzato un’Amtive Measurement Metrology Testbed (AMMT) per lo studio di strategie avanzate di monitoraggio e controllo dei processi, ha recentemente pubblicato un documento intitolato ” Implementazione di strategie avanzate di controllo laser per i sistemi di fusione a letto di polvere “nei loro sforzi per implementare il controllo laser sull’AMMT al fine di annullare la formazione di difetti e ottenere un migliore controllo del pool di fusione.

L’abstract dice: “Il percorso del laser, la velocità di scansione e la potenza del laser sono parametri fondamentali della macchina per determinare la qualità dell’output dei processi di fusione a letto a base di laser (LPBF). Una strategia di controllo limitata al jerk è implementata per la pianificazione del percorso laser su un banco di prova additivo LP (LBF). Le traiettorie / velocità laser effettive e comandate sono risultate in migliore accordo tra loro rispetto ai controlli convenzionali. Il nuovo controller ha consentito l’implementazione di strategie avanzate di controllo della potenza del laser sincronizzate con la posizione e la velocità del laser integrando tutto in un codice G modificato (indicato come codice G AM). Un interprete è stato sviluppato per utilizzare sofisticati comandi di controllo laser LPBF. ”
Confronto tra controllo del movimento a velocità limitata e velocità di passo a diverse velocità.
Il controllo laser del sistema LPBF coinvolge la potenza e il percorso del laser: il primo è regolato elettronicamente attraverso l’amplificatore laser, mentre il secondo si ottiene controllando i due motori galvanometrici, che guidano gli specchi che dirigono il punto laser al letto di polvere, in modo coordinato .

La velocità di passo, che presuppone un’accelerazione infinita, rende impossibile per gli specchi seguire i comandi, ma la maggior parte dei sistemi di scansione commerciali, inclusi quelli integrati nelle stampanti 3D LPBF, utilizza profili di velocità di passo per il controllo del movimento. Ciò compromette la precisione temporale e spaziale, che quindi porta a difetti materiali e imprecisioni geometriche.

“Nel controllo numerico delle macchine utensili, un percorso limitato dal jerk viene solitamente usato per evitare l’eccitazione dei modi di vibrazione nella struttura meccanica”, hanno scritto i ricercatori. “Un percorso limitato al jerk ha un profilo di velocità uniforme, che è più facilmente seguito da un sistema fisico, e si traduce in una migliore accuratezza del percorso spaziale e temporale. Qui, l’accuratezza spaziale si riferisce alla posizione geometrica del punto laser e l’accuratezza temporale si riferisce al punto che raggiunge le posizioni designate al momento designato. La precisione temporale non è solitamente un problema per le macchine utensili. Tuttavia, per le strategie di scansione LPBF avanzate che incorporano velocità di linea o velocità di linea o controllo di potenza, sono essenziali sia la precisione temporale che spaziale. Per fare ciò, il controllo del movimento limitato allo strappo è implementato sul NIST AMMT. ”
Una scansione a traccia singola su acciaio inossidabile. (a) Larghezza del pool di fusione (μm) misurata da immagini di pool di fusione in situ. (b) Potenza laser comandata (W). (c) Velocità laser comandata (m / s). Le immagini del pool di fusione corrispondenti alle posizioni contrassegnate (1-5) sono mostrate in alto.
I ricercatori hanno utilizzato vari parametri di controllo del movimento per generare nove percorsi di scansione laser quadrati sull’AMMT. È stato introdotto un tempo di attesa dopo ogni mossa con il profilo di velocità del gradino, al fine di “migliorare la precisione del percorso spaziale”, ma doveva essere misurato attentamente – troppo breve e la distorsione non può essere completamente compensata, mentre si attende troppo a lungo può causare un eccesso di fusione.

“Per visualizzare l’effetto dell’accuratezza del percorso temporale, due serie di modelli da 2 mm x 2 mm sono state scansionate su una piastra di alluminio a velocità diverse (da 200 mm / s a ​​2000 mm / s) con controlli di movimento a velocità limitata e velocità di passo,” i ricercatori hanno scritto.
Percorso pianificato dalle combinazioni di tre percorsi laser e tre modalità di alimentazione laser. L’immagine mostra la scansione su una piastra di acciaio inossidabile.
Le modalità di potenza costante e la velocità di costruzione sono state utilizzate per accendere e spegnere il laser nelle posizioni designate. L’accelerazione per il controllo limitato allo strappo è stata impostata a 1.000 m / s2, mentre il tempo di attesa per il controllo della velocità è stato calibrato a 200 mm / s.

“Le lacune nei modelli scansionati per il controllo della velocità di passo indicano che il punto laser non ha raggiunto la posizione designata al momento designato (cioè, un errore temporale)”, hanno spiegato i ricercatori. “Non è stato osservato alcun gap per il controllo limitato allo strappo a tutte le velocità.”
La densità di energia in ingresso è risultata influenzata dalla potenza del laser e dalla velocità di scansione e gli errori potrebbero potenzialmente causare difetti del materiale. I ricercatori hanno anche installato una fotocamera ad alta velocità per misurare la geometria del pool di fusione, che può aiutare quando si studia l’influenza che il controllo laser ha su LPBF.

È anche possibile utilizzare la pianificazione del percorso con limitazione del jerk per creare strategie di scansione complicate e garantire una costruzione più fluida se si riducono le variazioni di velocità e potenza del laser. Quindi i ricercatori hanno proposto l’uso di percorsi laser e modalità di alimentazione, e li hanno messi a disposizione attraverso una versione modificata di G-code.

“Un controllo del movimento limitato allo strappo è stato implementato su un banco di prova AM di LPBF, e sono state dimostrate migliori precisioni temporali della posizione e della velocità”, hanno concluso i ricercatori. “Ciò ha permesso l’implementazione di strategie di controllo laser avanzate basate su un preciso coordinamento della posizione di velocità e potenza. Tali strategie sono state proposte e implementate attraverso il “codice G AM” con tre modalità di percorso laser e tre modalità di alimentazione laser integrate nel suo interprete. È stata anche proposta una modalità regolata termicamente che varia localmente la potenza in base al materiale solidificato adiacente e alla variazione nella conduzione del calore locale. Esperimenti di scansione sono stati condotti su una lastra di metallo per dimostrare l’efficacia di diversi modi, sono stati utilizzati l’imaging in situ del pool di melt e la microscopia confocale ex-situ per studiare i processi. La controllabilità del pool di fusione è chiaramente dimostrata. ”
Co-autori del documento sono H.  Yeung,  BM  Lane,  MA  Donmez,  JC  Fox e  J.  Neira.

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