Northwestern University & Argonne National Laboratory esaminano la deposizione di energia diretta mediante raggi X

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Mentre le strutture prodotte attraverso la stampa 3D possono essere affascinanti, tangibili e estremamente stimolanti – per non dire realmente utili – si può ancora trovare che i processi operativi alla base della tecnologia siano un po ‘intimidatori, poiché spesso sembra che l’impossibile si compia con un po’ di filamenti, software e hardware che potrebbero non essere nemmeno così costosi. Può anche sorprendere sapere che anche i ricercatori estremamente abituati alla stampa 3D potrebbero essere ancora all’oscuro di ciò che accade durante alcuni processi interni, specialmente nell’uso di combinazioni laser / polvere.

Per dare un’occhiata più da vicino, un gruppo di ricerca che unisce le forze della Northwestern University e dell’Argonne National Laboratory ha iniziato a esaminare esattamente cosa succede durante la stampa 3D, piuttosto che dopo, pubblicando le loro scoperte in ‘ X-ray imaging in-situ di piezo-driven produzione di additivi per la deposizione di energia diretta ». Gli autori Sarah J. Wolff, Hao Wu, Niranjan Parab, Cang Zhao, Kornel F. Ehmann, Tao Sun e Jian Cao sottolineano che storicamente è stato difficile monitorare i processi interni nei minimi dettagli perché qualsiasi interruzione del processo può essere dannoso per il prodotto finale. E mentre abbiamo seguito molte diverse istanze di ricercatori che analizzano la stampa 3D e materiali unici, insieme a lavorare per trovare strategie migliorate in AM, questo studio ha sicuramente un focus diverso:

“Il monitoraggio dei processi di produzione avanzati per valutare i cambiamenti nella storia termica, struttura e proprietà è fondamentale per la comprensione dei fenomeni fisici che si verificano durante il processo e per il controllo a circuito chiuso delle proprietà costruite in AM”, affermano i ricercatori.

La deposizione diretta di energia si basa su particelle di polvere riscaldate, fuse per creare gli strati di una struttura. Questo metodo di fabbricazione è cresciuto in popolarità, specialmente nella prototipazione rapida e nella manutenzione delle parti. I vantaggi includono una solidificazione più veloce e migliore degli oggetti stampati, oltre alla flessibilità dei tipi e all’uso dei materiali.

“A causa della complessità della deposizione di polveri e delle loro interazioni in DED, tuttavia, monitorare l’influenza delle singole particelle sul pool di fusione e la build risultante è difficile”, affermano i ricercatori. “In questo studio, un sistema di consegna a basso costo guidato dalla piezo è usato per depositare particelle individuali mentre interagiscono con un raggio laser mobile come mezzo per catturare la fisica sottostante dell’interazione laser-materia durante il DED usando raggi X ad alta velocità imaging.”

Sebbene il piezoelettrico possa essere un termine nuovo per molti, comporta il rilascio di una carica quando sotto pressione o altro sforzo. Abbiamo seguito uno studio sui materiali piezoelettrici all’inizio di quest’anno, in merito al loro potenziale nella stampa 3D per lo sviluppo di una varietà di sensori e materiali intelligenti. In questo studio più recente, i ricercatori sono interessati a studiare l’energia piezo diretta con i raggi X per comprendere meglio come i laser e la polvere interagiscono durante la stampa 3D.

Per questo esperimento, il team ha progettato una camera sigillata, comprendente il sistema piezo-guidato e il gas argon richiesto.

“La sequenza di attivazione inizia con l’attivazione dell’elemento piezo nel sistema di erogazione della polvere. Il segnale dall’elemento piezo accende il laser. Il segnale “on” del laser inizia la scansione del laser spostando gli specchi dello scanner galvo “, affermano i ricercatori sul sistema di osservazione. “Quando gli specchi galvo si trovano in una certa posizione che allinea il raggio laser con il sistema di erogazione della polvere guidato dalla piezo, l’otturatore a raggi X si apre per consentire il passaggio dei raggi X nella camera.”

La vibrazione piezoelettrica fa sì che la polvere fluisca nell’area in cui sono allineati sia il raggio laser che i raggi X. Parametri specifici sono stati impostati per controllare la portata controllando la frequenza e la potenza della vibrazione piezoelettrica. Ogni porosità è stata tracciata e valutata, insieme allo spruzzo e all’espulsione delle particelle associate. La speranza finale nell’esecuzione di tali esperimenti di imaging era di capire di più sui processi DED e sui materiali coinvolti.

“Le immagini a raggi X ad alta velocità che rivelano le interazioni materia-laser in varie modalità di elaborazione DED possono aiutare nella validazione di modelli termici, termofluidodinamici e termo-meccanici”, affermano i ricercatori. “Nel caso del flusso di massa in polvere a bassa gravità alimentato per gravità, il pennacchio di vapore indotto dal laser disperde le particelle lontano dal pool di fusione con velocità fino a 10 m / s.”

I ricercatori sottolineano che la maggior parte dei sensori non è in grado di fornire dati sufficienti e non possiede la risoluzione necessaria per mostrare i processi di raffreddamento rapido DED. In questo studio, sono stati in grado di individuare alcune delle ragioni alla base della porosità, ma sottolineano che sono necessarie ulteriori ricerche per comprendere il trascinamento delle particelle.

“Il controllo delle traiettorie delle singole particelle rispetto a un raggio laser può portare a osservazioni più conclusive su come le particelle entrano nel pool di fusione. Questo lavoro rivela la necessità di un gas di trasporto inerte per aiutare il flusso di particelle. Senza il gas di trasporto, la maggior parte delle particelle si disperde dal pool di fusione, mentre il gas di trasporto consente alle particelle di penetrare nel pennacchio di vapore-plasma indotto dal laser “, concludono i ricercatori.

“Il lavoro futuro che indaga sull’influenza della pressione e della velocità del gas vettore è necessario per catturare i fenomeni nell’elaborazione DED più rappresentativa. L’accoppiamento del monitoraggio termico ad alta risoluzione può anche aiutare a comprendere meglio il raffreddamento e, più specificamente, il comportamento di solidificazione del pool di fusione. “

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