Объединив компьютерное моделирование с высокой точностью и сверхвысокой скоростью рентгеновской визуализации, исследователи из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL) обнаружили стратегию уменьшения или даже устранения дефектов в деталях, созданных с помощью обычной лазерной 3D-печати металла. процесс.
В работе, опубликованной сегодня (8 мая 2020 г.) журналом Science , исследовательская группа из LLNL вместе с сотрудниками из Исследовательской лаборатории ВВС раскрывает ранее неизвестную динамику, вовлеченную в процесс производства добавок для термоядерного синтеза лазерного порошка (LPBF-AM). , который использует лазерный луч для расплавления металлического порошка слой за слоем для формирования трехмерных деталей. Эти недавно обнаруженные механизмы производят «брызги» - частицы или кластеры частиц порошка, выбрасываемые с пути лазера, которые могут приземлиться обратно на детали, что может привести к образованию пор и дефектам.
Чтобы лучше понять взаимодействие лазера с брызгами и более широкую проблему сертификации деталей, напечатанных с помощью LPBF-AM, исследователи LLNL использовали компьютерные модели для создания «цифрового двойника» процесса, который они использовали для проведения виртуальных экспериментов над сборками на микромасштабе. Сравнивая моделирование с экспериментальными данными, полученными с помощью высокоскоростной рентгеновской и оптической визуализации в условиях LPBF-AM, исследователи разработали критерий стабильности, результатом которого стала «карта мощности». Карта мощности - это стратегия сканирования, которая регулирует выходную мощность лазера вдоль лазерного пути для стабилизации ванны расплава и является ключевым строительным блоком для создания «интеллектуальной упреждающей связи», процесса проектирования, отстаиваемого LLNL, который сочетает в себе расширенное моделирование и симуляцию с экспериментальный анализ, чтобы научить 3D-принтеры эффективно создавать детали без дефектов.
Исследователи обнаружили, что при использовании критерий стабильности может уменьшить или полностью устранить появление пор, замочных скважин (глубокая и узкая лужа расплава) и других подземных явлений, которые могут привести к дефектам. Кроме того, они обнаружили, что предварительное спекание металлического порошка - запуск многолучевого лазера над порошком при малой мощности для сплавления частиц вместе перед сборкой - также может помочь уменьшить разбрызгивание и минимизировать «эффект снежного кома», когда появляются большие брызги. над порошковой подушкой, и от него становится трудно избавиться. Исследователи заявили, что эта стратегия повысит общую надежность деталей и поможет обеспечить более широкое внедрение технологий аддитивного производства.
«Брызги - враг создания хороших деталей; Это не просто летающие маленькие частицы, они могут создать систему классов брызг, которые могут повлиять на сборку по-разному и в разных сценариях », - сказал Саад Хайраллах, ведущий автор статьи и физик по вычислительной технике LLNL. «Люди не могут просто наивно включить свой лазер и начать сканирование, потому что стратегия сканирования может создавать брызги в начале трека, превышающие пороговый размер, что может быть очень плохо для сборки. Хорошая новость заключается в том, что, используя критерии стабильности, которые мы описываем в статье, они могут изменять стратегию сканирования на основе контролируемой карты мощности, которую они применяют, чтобы предотвратить это большое обратное разбрызгивание ».
Самый популярный процесс 3D-печати на металле, LPBF-AM, использует лазерный луч для сканирования 2D-рисунков на плоском слое микроскопического металлического порошка для формирования дорожек расплава, которые сливаются с нижними слоями, повторяя процесс тысячи раз для создания 3D-объекта. Несмотря на кажущуюся простоту, процесс по-прежнему сталкивается с проблемами для широкого внедрения, в значительной степени из-за проблемы «изменчивости», когда одна и та же машина для 3D-печати, используя тот же порошок и параметры, может создавать детали различного качества.
По словам Хайраллаха, сами по себе эксперименты не могут полностью объяснить динамику процесса, потому что им часто не хватает необходимого пространственного и временного разрешения и интерпретации высокодинамичных и переходных событий LPBF-AM, наблюдаемых экспериментально, что требует расширенного моделирования. По словам Хайраллы, дополнение экспериментов высокоточным мультифизическим моделированием позволит исследователям фиксировать то, что происходит на уровне порохового слоя и ниже его в ванне расплава, с очень высокой скоростью, обеспечивая незаменимый инструмент для решения проблемы изменчивости и совершенствование процесса сертификации деталей.
Чтобы создать модели с высоким разрешением, способные моделировать температуру, скорость и другие аспекты взаимодействия лазера и ванны расплава, Хайралла разработал новые возможности в мультифизическом коде моделирования LLNL под названием ALE3D, чтобы уловить влияние лазерных лучей на выброс частиц и других динамических факторов, которые создают дефекты, такие как «лазерное затенение», когда расплавленный металлический порошок может блокировать или затмевать лазер.
Сравнивая моделирование с реальными экспериментами, команда пришла к выводу, что затенение вызывает внезапное уменьшение глубины ванны расплава, что может создавать поры в ванне расплава - чем больше разбрызгивание, тем больше затенение получается. Они также обнаружили феномен «самовоспроизведения», когда лазер попадает в большое место разбрызгивания (брызги, лежащие на пороховой подушке) и расщепляет их, в результате чего дополнительные места разбрызгивания рассеиваются по слою пороха и создают эффект снежного кома.
Команда обнаружила, что интенсивность воздействия на конструкцию зависит от определенного порога диаметра и мощности лазера. По словам Хайраллаха, высокая мощность лазера полезна для удаления брызг, которые могут заблокировать лазер, но если мощность лазера увеличивается слишком быстро или слишком высока, это может соответственно привести к большим обратным брызгам и замочным скважинам. Карта мощности, разработанная исследователями, динамически регулирует мощность вдоль трассы, находя «золотую середину», которая может поддерживать стабильность ванны расплава, удаляет брызги, которые блокируют или затеняют лазер, и может предотвратить слишком большие брызги.
«С нашей картой вы можете разработать новые стратегии сканирования или адаптировать существующие, которые сохранят стабильность, чтобы предотвратить поры и дефекты», - сказал Хайраллах. «В будущем кто-нибудь может взять эту имитационную модель и запустить ее для любой стратегии сканирования и вычислить оптимальную мощность, необходимую для использования вдоль пути сканирования. Если вы делаете спиральную или сложную геометрию, где тепло не рассеивается быстро, он подскажет вам, как отрегулировать мощность в этих узких местах ».
Чтобы проверить моделирование, исследователи сравнили их с данными сверхбыстрого рентгеновского изображения, записанными в условиях in situ на синхротроне с усовершенствованным источником фотонов в Аргоннской национальной лаборатории, и с высокоскоростными оптическими изображениями, полученными в LLNL.
«Рентгеновская диагностика предоставляет единственные методы, которые могут одновременно исследовать поверхность и подповерхность металла, а также обеспечивают точность отслеживания быстрой динамики структурных изменений, вызванных лазером», - сказал соавтор Эйден Мартин, технический руководитель компании синхротронные эксперименты. «Использование рентгеновских изображений позволило нам экспериментально наблюдать явления образования брызг и затенения, исследованные в моделировании ALE3D».
Возможность получения рентгеновских изображений на основе синхротрона была обеспечена экспериментальным испытательным стендом, разработанным в рамках программы лабораторных исследований и разработок (LDRD), и существующей сверхбыстрой детекторной матрицы LLNL, которые вместе обеспечивали беспрецедентное временное и пространственное разрешение для зондирования подповерхностных LPBF. -AM явления.
«Захватывающим прорывом в этом проекте стала возможность сбора данных с сопоставимыми масштабами времени и длины для моделирования эквивалентных взаимодействий лазера с металлом», - сказал Джонатан Ли, главный исследователь рентгеновских исследований. «Синергия между усилиями LLNL по эксперименту и моделированию была неоценимой в развитии нового понимания множественных явлений LPBF-AM».
По словам Хайраллаха, сложная и нелинейная физика переходных процессов, лежащая в основе дефектов, требует полноценных программ для моделирования сложных событий. По словам исследователей, критерии, разработанные командой, могут быть приняты коммерческими кодами и могут быть внедрены в любой металлический 3D-принтер, а также могут применяться к технологиям лучевой или лазерной сварки или плавления.
Высокоточное моделирование термической истории и гидродинамики с использованием ALE3D формирует основу представления «цифрового двойника» материалов AM, одной из основных тем финансируемой LDRD Стратегической инициативы, направленной на управление затвердевшей микроструктурой и механическими свойствами.
«Локальный контроль подачи энергии в систему с использованием проверенных моделей открывает пути не только для устранения дефектов, но и для улучшения материалов за счет разработки микроструктур», - сказал Маньялибо «Ибо» Мэтьюз, главный исследователь Стратегической инициативы LDRD и руководитель проекта лаборатории Accelerated Проект сертификации металлов аддитивного производства.
