La promesa de fabricación aditiva de revolucionar la industria está limitada por un problema generalizado: pequeñas bolsas de gas en el producto final, que pueden provocar grietas y otras fallas.
Nueva investigación publicada hoy en ciencia tendrá un hipervínculo al papel, dirigido por investigadores de la Universidad Carnegie Mellon y el Laboratorio Nacional de Argonne, ha identificado cómo y cuándo se forman estas bolsas de gas, así como una metodología para predecir su formación, un descubrimiento fundamental que podría mejorar drásticamenteEl proceso de impresión 3D.
"La investigación en este documento se traducirá en un mejor control de calidad y un mejor control del trabajo con las máquinas", dijo Anthony Rollett, profesor de Ciencia e Ingeniería de Materiales en la Universidad Carnegie Mellon y autor del artículo ". Para la fabricación aditivapara despegar realmente para la mayoría de las empresas, necesitamos mejorar la consistencia de los productos terminados. Esta investigación es un paso importante en esa dirección "
Los científicos utilizaron los rayos X de alta energía extremadamente brillantes en la Fuente de fotones avanzados de Argonne APS, una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE, para tomar videos e imágenes súper rápidos de un proceso llamado Laser Power Bed Fusion LPBF, en el que los láseres se utilizan para fundir y fusionar material en polvo.
Los láseres, que escanean sobre cada capa de polvo para fusionar el metal donde se necesita, literalmente crean el producto terminado desde cero. Se pueden formar defectos cuando las bolsas de gas quedan atrapadas en estas capas, causando imperfecciones que pueden provocar grietasu otras averías en el producto final.
Hasta ahora, los fabricantes e investigadores no sabían mucho acerca de cómo el láser perfora el metal, produciendo cavidades llamadas "depresiones de vapor", pero asumieron que el tipo de polvo de metal o la fuerza del láser eran los culpables.Los fabricantes han estado utilizando un enfoque de prueba y error con diferentes tipos de metales y láseres para tratar de reducir los defectos.
De hecho, la investigación muestra que estas depresiones de vapor existen en casi todas las condiciones del proceso, sin importar el láser o el metal. Aún más importante, la investigación muestra cómo predecir cuándo una depresión pequeña crecerá en una grande e inestableque potencialmente puede crear un defecto.
"Estamos retirando el velo y revelando lo que realmente está sucediendo", dijo Rollett, quien también es codirector del Centro de Fabricación Próxima en Carnegie Mellon. "La mayoría de la gente piensa que usted enciende una luz láser en la superficie de un metalpolvo, la luz es absorbida por el material y funde el metal en una piscina de fundición. En realidad, realmente está perforando un agujero en el metal ".
Al utilizar equipos altamente especializados en el APS de Argonne, una de las instalaciones de sincrotrón más poderosas del mundo, los investigadores observaron lo que sucede cuando el láser se mueve a través del lecho de polvo de metal para crear cada capa del producto.
En condiciones perfectas, la forma del grupo de fusión es poco profunda y semicircular, denominada "modo de conducción". Pero durante el proceso de impresión real, el láser de alta potencia, que a menudo se mueve a baja velocidad, puede cambiar la forma del grupo de fusión a algocomo un ojo de cerradura en una cerradura protegida: redondo y grande en la parte superior, con un pico estrecho en la parte inferior. Tal fusión del "modo de ojo de cerradura" puede conducir a defectos en el producto final.
"En base a esta investigación, ahora sabemos que el fenómeno del ojo de la cerradura es más importante, en muchos sentidos, que el polvo que se usa en la fabricación aditiva", dijo Ross Cunningham, un recién graduado de la Universidad Carnegie Mellon y uno de losprimeros autores de este artículo: "Nuestra investigación muestra que puede predecir los factores que conducen a un ojo de cerradura, lo que significa que también puede aislar esos factores para obtener mejores resultados".
La investigación muestra que los agujeros de cerradura se forman cuando se alcanza una determinada densidad de potencia del láser que es suficiente para hervir el metal. Esto, a su vez, revela la importancia crítica del enfoque del láser en el proceso de fabricación aditiva, un elemento que ha recibido poca atenciónhasta ahora, según el equipo de investigación.
"El fenómeno de ojo de cerradura se pudo ver por primera vez con tales detalles debido a la escala y la capacidad especializada desarrollada en Argonne", dijo Tao Sun, físico de Argonne y autor del artículo. "La intensa alta energíaEl haz de rayos X en el APS es clave para descubrimientos como este ".
La plataforma experimental que admite el estudio de la fabricación aditiva incluye un aparato láser, detectores especializados e instrumentos de línea de haz dedicados.
En 2016, el equipo de Argonne, junto con sus socios de investigación, capturó el primer video de rayos X de la fabricación de aditivos láser a escalas de micrómetros y microsegundos. Ese estudio aumentó el interés en el impacto que el APS de Argonne podría tener en las técnicas y desafíos de fabricación.
"Realmente estamos estudiando un problema científico muy básico, que es lo que le sucede al metal cuando lo calienta con un láser de alta potencia", dijo Cang Zhao, un postdoc de Argonne y el otro coautor del artículo."Debido a nuestra capacidad experimental única, podemos trabajar con nuestros colaboradores en experimentos que son realmente valiosos para los fabricantes".
El equipo de investigación cree que esta investigación podría motivar a los fabricantes de máquinas de fabricación aditiva a ofrecer más flexibilidad al controlar las máquinas y que el uso mejorado de las máquinas podría conducir a una mejora significativa en el producto final. Además, si se actúan estas ideasluego, el proceso para la impresión 3D podría ser más rápido.
"Es importante porque la impresión 3D en general es bastante lenta", dijo Rollett. "Se tarda horas en imprimir una pieza que tiene unas pocas pulgadas de alto. Eso está bien si puede pagar la técnica, pero tenemos que hacerlomejor."
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Materiales proporcionado por Facultad de Ingeniería, Universidad Carnegie Mellon . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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