Рентгеновские лучи освещают новую эру для 3D печати

Рентгеновские лучи освещают новую эру для 3D печати

В Advanced Photon Source от Argonne совместные исследовательские работы по аддитивному производству использовали рентгеновские снимки, чтобы глубже погрузиться в то, что на самом деле вызывает дефекты в 3D печати.

Очень динамичные, сложные и недолговечные физические явления, которые происходят во время процесса 3D-печати, ускользнули от обнаружения и понимания с момента появления технологии более трех десятилетий назад. Однако, однако, исследования, проведенные на Усовершенствованном источнике фотонов (DOE) Министерства энергетики США (США) в Национальной лаборатории Аргонна в штате Иллинойс, впервые показывают, как возникают микроскопические дефекты при производстве 3D-печатных металлов. Исследование использует возможности APS, ведущего в стране источника жестких (коротковолновых) рентгеновских лучей, для изображения процесса 3D-печати, также называемого аддитивным производством. Посмотрите видео:

«Мы стремимся расширить наши возможности и более широко исследовать процесс аддитивного производства», — говорит Аарон Греко, ведущий главный исследователь Argonne’s Additive Manufacturing Consortium. «Эти возможности включают компьютерное моделирование, машинное обучение и характеристику материалов, чтобы определить, где возникают дефекты при аддитивном производстве и как свести к минимуму или устранить эти дефекты».

 

Рентгеновская экспертиза

 

Первым крупным вкладом Аргонне в эту область в сотрудничестве с исследователями из Университета Карнеги-Меллона и Университета науки и техники Миссури был рентгенографический анализ, опубликованный в июне прошлого года в научных докладах. Исследование, проведенное Tao Sun, физиком из отдела рентгеновской науки Argonne, применило высокоскоростную рентгеновскую визуализацию и дифракцию для наблюдения за широко используемым процессом 3D-печати.

«Подходы, основанные на экспериментах и ​​анализе данных, разработанные здесь, предоставят компас, указывающий на фундаментальное понимание физики в процессе AM, и еще больше ускорят приход аддитивного производственного возраста», — пишет Сан и его соавторы.

Группа провела исследования титанового сплава Ti-6Al-4V на балке APS 32-ID, которая предлагает высокоскоростную рентгеновскую визуализацию и дифракцию среди своих возможностей. Рентгеновские снимки принимались со скоростью 50 000 изображений в секунду. Изображение было связано с методом дифракции, который включает в себя рассеяние высокоинтенсивных рентгеновских лучей, что позволило команде визуализировать динамические взаимодействия, происходящие во время переходного взаимодействия лазер-металл.

Титановый сплав, с которым команда экспериментирует, является обычно используемым материалом для 3D-печати. Другими часто используемыми материалами являются алюминиевые сплавы, нержавеющая сталь и никелевые суперсплавы. APS-рентгеновское излучение может проникать в титановые и алюминиевые сплавы миллиметрового размера, но еще не из нержавеющей стали или никелевых суперсплавов для одиночных рентгеновских импульсных экспериментов.

Это может измениться, однако, в рамках предлагаемого обновления в размере 750 млн. долл. США для установки, что сделает луч более ярким и более целенаправленным. С этой модернизацией, сказал Сан, у APS будет больше шансов пройти образцы нержавеющей стали (менее двух миллиметров) в экспериментах по измерению и дифракции в мегагерцах.

Argonne выбрала моментальные снимки из более крупных наборов данных (то есть каждый комплект включает в себя в общей сложности 340 изображений, охватывающих промежуток времени 7,5 мс), чтобы показать детали взаимодействия лазерного образца в течение временного окна ~ 110 мс (см. Рисунок ниже). Позиции лазерного луча отмечены красным цветом в первом изображении каждой серии изображений. Слева от лазерного луча можно наблюдать «печатную» линию, в то время как слой неплавкого порошка находится с правой стороны. Под лазерным лучом может быть обнаружена зона испарения пара внутри металлического основания. В случае, показанном в (a), применяется умеренная мощность лазера. Образуется небольшая зона депрессии, и некоторые частицы (включая расплавленный металл и сырые порошки) являются брызгами, выброшенными из порошкообразного слоя парами металлов. Это режим нагрева, который часто называют режимом проводимости.

Аргоннские исследователи предоставили первое в своем роде наблюдение на месте и измерение процесса производства металлической добавки. Здесь показаны динамические серии рентгеновских изображений двух лазерных процессов слияния порошков Ti-6Al-4V с различными мощностями лазера (a: 210 Вт, b: 360 Вт). В обоих случаях лазерный луч размером ~ 100 мкм сканируется слева направо со скоростью 0,4 м / с для «печати» одной линии. Частота кадров двух рядов данных составляет 45,3 кГц, а время экспозиции для каждого изображения составляет 0,1 нс. Обратите внимание, что прямыми линиями в середине каждого изображения являются верхние края стеклянных углеродных пластин, которые сэндвич основывают плиту Ti-6Al-4V и слой порошков сверху. Толщина металлического основания и порошкового слоя вдоль направления рентгеновского луча составляет 0,5 мм.

В случае, показанном в (b), более высокая мощность лазера генерирует гораздо более глубокую зону депрессии, и в то же время больше частиц выбрасывается. Кроме того, вдоль лазерного пути вблизи глубины зоны депрессии наблюдается следа поры. Формирование одной такой пор четко показано в этой серии изображений. Этот режим нагрева называется «замочной скважиной», в котором на образец осаждается избыточная тепловая мощность. Пористость, образовавшаяся в этом режиме нагрева, часто упоминается как «замочная скважина», которая является одним из основных дефектов в металлических деталях, изготовленных на заводе.

 

Эксперименты с X-Ray и 3D-печатью

 

Первоначальные эксперименты APS были упрощенной версией реального коммерческого процесса 3D-печати, проводимого при поддержке Argonne, Управления науки DOE, Национального агентства ядерной безопасности DOE, Управления энергоэффективности и возобновляемой энергии Министерства энергетики США, Grumman Corp. и Университет Миссури. В будущей работе Sun хотела бы включить небольшой, коммерческий 3D-принтер в линию луча или иначе разработать экспериментальные условия для более точного воспроизведения промышленного процесса 3D-печати.

В исследовании «Научные доклады» были рассмотрены детали метода слияния лазерного порошкового слоя 3D-печати. В этом методе лазерный луч нагревает металлические порошки, которые плавятся и агломерируются для образования желаемой части по одному слою за раз. Но введение порошков в лазерную обработку является относительно новым. 3D-печать имеет свои корни в лазерной сварке, которая не содержит порошков.

Порошок проявляет чрезвычайно динамичный лазерный импульс при распылении порошкообразного порошка — это зонтичный термин — во время процесса слияния лазерного порошка. Когда лазер попадает в порошкообразный слой, некоторые металлические порошки испаряются немедленно. Пары металлов переносят расплавленные материалы и много частиц порошкового порошка в сторону от слоя с большой скоростью (до десятков метров в секунду). Частицы затвердевают до нерегулярных размеров и форм и опускаются на порошкообразный слой.

«Когда они возвращаются на порошковый слой, они становятся источником дефектов», — говорит Сан.

Прямое измерение скорости выброса порошка с помощью высокоскоростной рентгеновской визуализации может помочь понять физику основы для оптимизации состояния лазерного плавления и разработать эффективные способы минимизации дефектов, вызванных выбросом порошка.

«Как мы показали с нашей работой в 32-ID, визуализация этих высокоскоростных процессов чрезвычайно раскрывается, и только APS / Argonne может помочь в этом», — говорит Энтони Роллетт, соавтор исследования Scientific Reports и профессор материаловедения и техники в Carnegie Mellon Univ. в Питтсбурге. «Есть также много аспектов микроструктуры материалов, с которыми могут справиться дифракционные пробы».

 

 

Расширенный источник фотонов в Аргоннской национальной лаборатории является национальным исследовательским центром источника света синхротронного излучения, финансируемым Управлением науки США по энергетике. Объект «увидел первый свет» 26 марта 1995 года. (Источник: Википедия)

Одной из целей исследований APS является понимание механизмов, ответственных за формирование пористости. Например, почему существует так много разных пористостей в металлических деталях, изготовленных аддитивной технологией?

Другая цель — измерить различные структурные параметры с помощью рентгеновских методов на месте, которые ранее не могли быть измерены другими способами. Как, например, развивается бассейн расплава и как динамические колебания зоны депрессии паров влияют на формирование породы «замочной скважины»?

«Никто этого раньше не видел», — говорит Сан. С учетом этих данных Сан и его сотрудники теперь могут утверждать множество числовых моделей, которые разработали ученые вычислительных материалов в Аргонне и других странах. До сих пор исследователи «догадывались» о том, что вызывает образование дефектов в 3D-печати.

Сан говорит: «Теперь у нас прямые наблюдения. Мы сможем подтвердить или опровергнуть многие модели, которые предложили люди. И что еще более важно, мы можем помочь им построить новые модели, привлекая больше физики, чем раньше ».

Одним из примеров является поток порошка и инъекция, которая настолько сложна, что модельеры в настоящее время не могут ее исключить из своих имитаций. Это связано с высокими вычислительными затратами на моделирование динамики миллионов частиц в порошковом слое.

«В их моделях порошки в значительной степени неподвижны, — объясняет Сан. «Динамическое движение порошка настолько динамично, что на самом деле нельзя игнорировать это».

Начиная с этого первого исследования APS, Argonne инвестировала более миллиона долларов в свою инициативу по аддитивному производству, которая является частью более крупной производственной научной инициативы лаборатории. Несмотря на то, что еще на ранних этапах инициатива Аргонана AM уже заинтересовала более 10 компаний в аэрокосмической, оборонной и автомобильной промышленности.

 

Взгляд на будущее через сотрудничество

Одним из привлекательных аспектов инициативы АГ в Аргонне является возможность сотрудничать с университетами для обучения рабочей силы нового поколения в аддитивном производстве, говорит Ляньи Чен, соавтор статьи «Научные доклады».

Чэнь, доцент механической и аэрокосмической техники в Университете науки и техники штата Миссури в Ролле, штат Миссури, далее отметил многочисленные преимущества, которые Аргонн сотрудничает с научными кругами и отраслью, привносят в аддитивное производство. Argonne обладает ведущими мировыми возможностями в области жестких рентгеновских лучей и вычислений. Университеты предлагают образовательные ресурсы и фундаментальную экспертизу исследований в области аддитивного производства. И промышленность знает на собственном опыте проблемы и барьеры, которые блокируют более широкое внедрение технологий аддитивного производства из промышленного производства.

 «Синергетическое сотрудничество Argonne и его академических и отраслевых партнеров будет иметь большой потенциал для решения проблем в технологии AM», — говорит Чэнь. «Например, понимание динамики процессов АМ с помощью жесткой рентгеновской визуализации и дифракции на месте будет направлять разработку лучших технологий обработки и улучшенных исходных материалов. Комбинация in-situ характеристик и вычислений может привести к высокой точности модели или алгоритму машинного обучения для прогнозирования оптимизированных параметров обработки для достижения оптимального качества детали ».

Селективное лазерное плавление порошкового слоя в настоящее время доминирует в технологии 3D-печати, но изменения происходят, говорит Роллетт. «Все более широкое применение 3D-печати металлов означает, что другие технологии, такие как струйная и роботизированная подача проволоки, станут более значительными. Роботизированная подача проволоки важна для больших деталей. Струя связующего является более дешевой технологией, которая одинаково подходит для керамики, как для металлов».

Независимо от будущих направлений 3D-печати, Sun, Rollett, Chen и их сотрудники будут работать в тот день, когда технология ограничена только воображением инженера.

Чтобы узнать о том, как использовать оборудование и опыт Аргонны в этой области, свяжитесь с нами. APS является Управлением по научным вопросам Министерства энергетики США, которое было организовано Аргоннским Управлением наук DOE.

No Comments

Post A Comment

Подпишитесь на рассылку новостей
Аддитивного Производства, чтобы быть
профессионалом в современных
промышленных технологиях

Вы успешно подписались на рассылку.

There was an error while trying to send your request. Please try again.

СМАРТПРИНТ - Прямое Цифровое Производство will use the information you provide on this form to be in touch with you and to provide updates and marketing.