Naukowcy z LLNL wykorzystują kształtowanie wiązki laserowej w celu poprawy właściwości podczas metalowego drukowania 3D

Stopy używane najczęściej do metalowego druku 3D, takie jak stal nierdzewna 316L, stopy tytanu, takie jak Ti-6Al-4V, stopy nadstopy Inconel 718/625 i stopy aluminium, takie jak Al-Cu-Mg-Sc-Si, są bardziej popularne opracowane dla standardowego wytwarzania niż dla przetwarzania AM; Powodem tego są nieprawidłowe surowce materiałowe, niewielka kontrola lokalnych historii termicznych, które napędzają kontrolę mikrostruktury, oraz niedostateczne możliwości prognozowania ze względu na ograniczone dane z monitorowania procesu in situ.

Ponadto, podczas gdy druk 3D metalu LPBF ma Mnóstwo możliwości dla szerokiej gamy zastosowań, brakuje w nim stopnia kontroli, który jest niezbędny do produkcji części, które mogą spełnić rygorystyczne kryteria oparte na wynikach. Aby kontynuować drukowanie 3D z szybkiego myślenia o prototypowaniu do szybkiego wytwarzania, ważne jest, aby mieć dogłębną wiedzę na temat procesu AM i struktur, które może on stworzyć. Aby to zrobić, naukowcy LLNL pracują nad opracowaniem nowej opartej na nauce strategii projektowania AM, która może kontrolować historię termiczną za pomocą dostosowanych i symulowanych źródeł światła.

M.J. Matthews, T.T. Roehling, S.A. Khairallah, G. Guss, S.Q. Wu, M.F. Crumb, J.D. Roehling i J.T. McKeown z LLNL opublikował niedawno artykuł zatytułowany "Przestrzenna modulacja źródeł laserowych do mikrostrukturalnej kontroli dodatków do metali", w którym pokazują, w jaki sposób można wykorzystać eliptyczność wiązki w celu kontroli mikrostruktury podczas drukowania LPBF 3D.

Streszczenie brzmi: "W tej pracy badamy przestrzenną modulację laserową, aby poprawić właściwości i przetwarzalność metali AM. Eksperymenty są przeprowadzane w celu wykazania kontroli przejścia od kolumny do równowanego, określenia metod zmniejszania chropowatości powierzchni i wydłużenia okien przetwarzania dla stopów AM. Wyniki pokazują, że modulacja wiązki zapewnia specyficzną dla miejsca kontrolę mikrostruktury, a wyniki te są interpretowane za pomocą modelowania elementów skończonych dynamiki puli i profili termicznych. "

Zespół zastosował proste elementy kształtujące wiązkę, które mogłyby, w Teoria może być wprowadzona pewnego dnia w komercyjny system AM.

"W ten sposób, dzięki inżynierii gradientów cieplnych za pomocą takiej optyki, może być możliwe kontrolowanie ziaren równoosiowych lub kolumnowych w określonych miejscach przez modulowanie kształtu wiązki podczas budować - napisali naukowcy.

Użyto proszku ze stali nierdzewnej 316L z Concept Laser na podłożach ze stali nierdzewnej 316Lpodczas jednotorowych eksperymentów z topnieniem laserem. W swoich testach LPBF zespół wykorzystał obiektyw 50 mm FL, aby emitować promienie światła z równoległego lasera światłowodowego o mocy 600 W. Korzystając z oprogramowania LLNL ALE3D do symulacji numerycznej, naukowcy stworzyli model rzeczywistego rozkładu wielkości cząstek i losowego pakowania cząstek, przed zastosowaniem algorytmu śledzenia promieni laserowych do symulacji interakcji laserowej z rzeczywistym złożem proszku.

"Trójwymiarowy model został zaadresowany przy użyciu hybrydowego elementu skończonego i skończonej formulacji objętościowej na niestrukturalnej siatce "- napisali naukowcy. Symulacje przeprowadzono przy użyciu każdego kształtu wiązki w rozmiarze S dla P = 550 W. Aby zaoszczędzić czas obliczeniowy, prędkość skanowania została ustalona na 1800 mm / s, dając gęstość energii 61 J / mm3. Ta gęstość energii jest nieco niższa niż minimalna wartość użyta w eksperymentach (80 J / mm3). "

Wykorzystanie kodu ALE3D LLNL do modelowania interakcji laser-model umożliwiło zbadanie wpływu kształtu belki na makro-ścieżkę - i mikrostruktury. Naukowcy ustalili, że "równoizie zestalenie było faworyzowane przy niższych mocach lasera", niezależnie od eliptyczności wiązki lub rozmiaru; zaobserwowano to szczególnie wtedy, gdy penetracja substratu przez stop był słaby, a nawet nieobecny.

Stężenie ziaren kolumnowych ogólnie wzrasta, gdy wzrasta również moc i prędkość skanu, i przestrzeń parametrów, "powyżej której równoważy się lub wytworzono mieszane mikrostruktury jednokierunkowo-kolumnowe, było większe dla wiązek eliptycznych niż dla wiązek Gaussa. Pokazuje to, że możliwe jest uzyskanie mikrostrukturalnego sterowania w określonym miejscu przez zmianę eliptyczności wiązki. Dodatkowo, możliwe są nawet bardziej złożone mikrostruktury z pełnymi kompozycjami, które wykorzystują alternatywne kształty wiązki.

"Badano wpływ gaussowskich i eliptycznych profili intensywności lasera na jednościeżkowe mikrostruktury. Elipcja wiązki wykazała silny wpływ na mikrostrukturę krzepnięcia. Elliptyczne profile intensywności wytwarzały równoosiowe lub zmieszane ziarna o stałej osiach z kolumnami w znacznie większej przestrzeni parametru niż profile kołowe, gdy wystąpiło nagrzewanie laserowe w trybie przewodnictwa. Oznacza to, że morfologię ziarna można dostosować, zmieniając profil przestrzenny natężenia wiązki, jednocześnie utrzymując stałą moc lasera i szybkość skanowania ", stwierdzili naukowcy.