NIST Osiągnięcie lepszego laserowego malowania proszkowego Fusion 3D Drukowanie stopionego basenu za pomocą sterowania laserem

Defekty LPBF mogą wystąpić, gdy te parametry lasera są niepoprawnie połączone, i opublikowano badania na temat hipotez, takich jak kształtowanie wiązek laserowych w celu poprawy właściwości i użycia właściwego źródła ciepła. Ale lepsze kontrolowanie profili mocy lub gęstości wzdłuż torów skanowania może zmniejszyć prawdopodobieństwo powstawania defektów.

Zespół naukowców z Narodowego Instytutu Standardów i Technologii (NIST), który zbudował otwartą architekturę Metodologia wytwarzania addytywnego Testbed (AMMT) do badania zaawansowanych strategii monitorowania i sterowania procesem, ostatnio opublikował pracę zatytułowaną "Implementacja zaawansowanych strategii sterowania laserem dla systemów fuzji proszkowych", na temat ich wysiłków mających na celu wdrożenie kontroli lasera w AMMT w celu zanegowania powstawania defekty i uzyskanie lepszej kontroli nad puli topnienia.

Streszczenie brzmi: "Droga lasera, prędkość skanowania i moc lasera są krytycznymi parametrami maszyny do określania jakości wyjściowej syntezy złoża proszku laserowego (LPBF) procesy. Wprowadzono ograniczoną do szarpnięć strategię sterowania dla planowania ścieżki laserowej na stanowisku testowym do produkcji dodatku LPBF (AM). Rzeczywiste i sterowane ścieżki / prędkości lasera okazały się być w lepszej zgodności ze sobą w porównaniu do konwencjonalnych kontroli. Nowy kontroler umożliwił wdrożenie zaawansowanych strategii sterowania mocą lasera zsynchronizowanych z położeniem i prędkością lasera poprzez osadzenie wszystkich w zmodyfikowanym kodzie G (określanym jako kod G-AM). Opracowano interpreter w celu wykorzystania wyrafinowanych poleceń sterowania laserem LPBF. "

Sterowanie laserowe systemu LPBF obejmuje moc lasera i ścieżkę: pierwsze jest regulowane elektronicznie za pomocą wzmacniacza laserowego, a drugie jest sterowane dwoma galwanometrami silniki, które kierują lusterkami, które kierują punkt lasera do złoża proszku, w skoordynowany sposób.

Prędkość kroku, która zakłada nieskończone przyspieszenie, uniemożliwia lusterkom wykonywanie poleceń, ale większość komercyjnych skanów systemy, w tym zintegrowane z drukarkami 3D LPBF, wykorzystują profile prędkości krokowej do sterowania ruchem. Zagraża to dokładności czasowej i przestrzennej, co prowadzi do defektów materiałowych i niedokładności geometrycznych.

"W sterowaniu numerycznym obrabiarek zwykle stosuje się ścieżkę ograniczoną szarpnięciem, aby uniknąć wzbudzenia trybów drgań w strukturze mechanicznej , "Napisali naukowcy. "Ścieżka ograniczona do szarpnięcia ma gładki profil prędkości, który jest łatwiejszy od fizycznegosystem, i zapewnia lepszą dokładność w czasie i przestrzeni. W tym przypadku dokładność przestrzenna odnosi się do położenia geometrycznego plamki lasera, a dokładność czasowa odnosi się do punktu osiągającego wyznaczone położenia w wyznaczonym czasie. Dokładność czasowa nie jest zwykle problemem dla obrabiarek. Jednakże, w przypadku zaawansowanych strategii skanowania LPBF obejmujących prędkość liniową lub liniową lub kontrolę mocy, niezbędna jest zarówno dokładność czasowa, jak i przestrzenna. Aby to osiągnąć, sterowanie dynamiką ograniczoną szarpnięciem jest realizowane na urządzeniu NIST AMMT. "

Naukowcy zastosowali różne parametry sterowania ruchem, aby wygenerować dziewięć kwadratowych ścieżek skanowania lasera na AMMT. Po każdym ruchu wprowadzono czas oczekiwania z profilem prędkości kroku, aby "poprawić dokładność ścieżki przestrzennej", ale trzeba było go dokładnie zmierzyć - za krótko, a zniekształcenia nie można w pełni zrekompensować, czekając zbyt długo może powodować nadmierne roztapianie.

"Aby zwizualizować efekt dokładności ścieżki czasowej, dwie serie wzorów 2 mm x 2 mm skanowano na płycie aluminiowej z różnymi prędkościami (200 mm / s do 2000 mm / s) z kontrolowanymi ruchami ograniczonymi ruchem i krokowymi prędkościami, "naukowcy napisali

Stałe tryby mocy i prędkość budowania były używane do włączania i wyłączania mocy lasera w wyznaczonych pozycjach. Przyspieszenie dla kontroli ograniczonej szarpnięciem ustawiono na 1000 m / s2, podczas gdy czas oczekiwania na regulację prędkości kroku został skalibrowany na 200 mm / s.

"Szczeliny w zeskanowanych wzorach dla kontroli prędkości kroku wskazują laser plamka nie osiągnęła wyznaczonej pozycji w wyznaczonym czasie (tj. błąd czasowy) "- wyjaśniają naukowcy. "Nie zaobserwowano żadnej przerwy w sterowaniu z ograniczeniem drgań przy wszystkich prędkościach."

Stwierdzono, że gęstość energii wejściowej zależy od mocy lasera i prędkości skanowania, a błędy mogą potencjalnie powodować wady materiału. Naukowcy zainstalowali także szybkobieżną kamerę do pomiaru geometrii jeziorka, co może pomóc w badaniu wpływu sterowania laserowego na LPBF.

Można również zastosować planowanie z ograniczeniem szarpnięcia do tworzyć skomplikowane strategie skanowania i zapewnić płynniejszą budowę, jeśli prędkość lasera i zmiany mocy ulegną zmniejszeniu. Naukowcy zaproponowali więc zastosowanie ścieżek lasera i trybów mocy i wykorzystali je w zmodyfikowanej wersji kodu G.

"Sterowanie ruchem ograniczonym szarpnięciem zostało zaimplementowane na platformie testowej LPBF AM, oraz poprawiono czasową dokładność pozycji i prędkości "- podsumowali naukowcy. "Toumożliwił wdrożenie zaawansowanych strategii sterowania laserem w oparciu o precyzyjną koordynację położenia siła-prędkość-prędkość. Takie strategie zostały zaproponowane i wdrożone poprzez "kod G-AM" z trzema trybami ścieżki lasera i trzema trybami mocy lasera wbudowanymi w jego interpreter. Zaproponowano również tryb regulacji termicznej, który lokalnie zmienia moc w oparciu o sąsiedni zestalony materiał i zmienność miejscowego przewodzenia ciepła. Eksperymenty skanowania przeprowadzono na płytce metalowej, aby wykazać skuteczność różnych trybów, do badania procesów wykorzystano obrazowanie w mieszance stopowej in-situ i mikroskopię konfokalną ex-situ. Sterowanie stopami jest wyraźnie wykazane. "