Исследователи из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL) сделали многообещающий шаг в повышении надежности методов трехмерной печати металла на основе лазера, измерив эмиссию электронов с поверхности нержавеющей стали во время лазерной обработки.
Исследователи собрали сигналы термоэлектронной эмиссии из нержавеющей стали 316L в условиях плавления в лазерном порошковом слое (LPBF) с использованием специальной испытательной системы и предварительного усилителя тока, который измерял поток электронов между металлической поверхностью и камерой. Затем они использовали генерируемую термоэлектронную эмиссию для определения динамики, вызванной взаимодействием лазера с металлом. Журнал Communications Materials опубликовал работу в сети 27 ноября.
Команда заявила, что результаты демонстрируют потенциал термоэмиссионного зондирования для обнаружения управляемых лазером явлений, которые могут вызывать дефекты в деталях, оптимизации параметров сборки и улучшения знаний о процессе LPBF, дополняя существующие диагностические возможности. Исследователи заявили, что способность улавливать тепловое излучение электронов поможет углубить базовое понимание динамики взаимодействия лазера с материалом, участвующей в процессе LPBF, и поддержит более широкое сообщество разработчиков технологий в укреплении доверия к деталям, созданным с использованием этой техники.
«Производство бездефектных деталей является серьезным препятствием для широкого коммерческого внедрения аддитивного производства металлов (AM)», - сказал главный исследователь Эйден Мартин. "Исследователи LLNL решают эту проблему, разрабатывая процессы и диагностические инструменты для повышения надежности металлических AM. Эта новая методология дополняет существующие диагностические инструменты, чтобы улучшить наше понимание процесса трехмерной печати. Наши следующие шаги - расширить эту технологию в датчик, работающий на полномасштабной системе LPBF, чтобы повысить уверенность в качестве изготовленных деталей ».
Исследователи заявили, что, несмотря на то, что были проведены значительные исследования, чтобы понять и измерить, как детали печатаются с LPBF с помощью оптических изображений, рентгеновских снимков или измерения теплового или акустического излучения, термоэлектронная эмиссия была упущена. Но, наблюдая и анализируя электроны, испускаемые во время лазерной обработки, исследователи лаборатории продемонстрировали, что они могут связать увеличение термоэлектронной эмиссии с температурой поверхности и условиями лазерного сканирования, которые вызывают образование пор и дефекты деталей.
С помощью экспериментальных данных и моделирования исследователи сообщили, что сигнал термоэлектронной эмиссии увеличивался экспоненциально, а глубина ванны расплава увеличивалась линейно с локальной плотностью энергии, демонстрируя «критическую зависимость» температуры поверхности металла от термоэлектронной эмиссии и полезность использования термоэлектронных сигналов в качестве способ оптимизации лазерной фокусировки в LPBF.
«Электронная эмиссия в аддитивном производстве металлов обычно игнорируется сообществом, и мы были взволнованы, увидев ее чрезвычайную чувствительность к условиям процесса», - сказал первый автор и инженер LLNL Фил ДеПонд.
Наблюдения группы показали, что образование плазмы во время процесса LPBF, которое они ранее приписывали ионизации испаренного металла лазерным лучом, также могло быть вызвано выбросом электронов с поверхности металла в атмосферу газообразного аргона и взаимодействием с лазером.
Исследователи заявили, что высокая чувствительность термоэлектронной эмиссии к температуре поверхности и морфологии поверхности позволяет им определять точную точку перехода между проводимостью и образованием замочной скважины, что приводит к образованию пор в отдельных частях. Они пришли к выводу, что результаты показывают, что термоэлектронные сигналы могут эффективно использоваться с традиционными методами сбора и обработки данных LPBF, улучшать научные знания о взаимодействии лазера и материала и определять, где могут возникнуть дефекты.
