Embora as técnicas de impressão 3D baseadas em laser tenham revolucionado a produção de peças de metal, expandindo enormemente a complexidade do design, os feixes de laser tradicionalmente usados ​​na impressão de metal têm desvantagens que podem levar a defeitos e baixo desempenho mecânico.

Pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Livermore estão abordando a questão explorando formas alternativas para os feixes gaussianos comumente empregados em processos de impressão a laser de alta potência, como fusão de leito de pó a laser (LBPF). Em um artigo publicado por Avanços da Ciência , pesquisadores experimentaram formas de feixes ópticos exóticos conhecidos como feixes de Bessel - que lembram os padrões bullseye - que possuem uma série de propriedades exclusivas, como autocura e não difração. Eles descobriram que a aplicação desses tipos de feixes reduziu a probabilidade de formação de poros e "fechadura, "um fenômeno indutor de porosidade em LPBF exacerbado pelo uso de feixes gaussianos. O trabalho é destaque na capa da revista em 17 de setembro.

Os pesquisadores do LLNL disseram que o trabalho indica que formas alternativas, como os feixes de Bessel, podem aliviar as principais preocupações na técnica LBPF - o grande gradiente térmico e as complexas instabilidades do banho de fusão que ocorrem onde o laser encontra o pó de metal. Os problemas são causados ​​predominantemente por formas de feixe gaussiano que mais disponíveis, os sistemas a laser de alta potência normalmente produzem.

"Usar feixes gaussianos é muito parecido com usar um lança-chamas para cozinhar sua comida; você não tem muito controle sobre como o calor é depositado em torno do material, "disse o autor principal e cientista pesquisador do LLNL Thej Tumkur Umanath." Com um feixe de Bessel, o fato de redistribuirmos parte dessa energia longe do centro significa que podemos projetar perfis térmicos e reduzir gradientes térmicos para auxiliar no refinamento de grãos microestruturais e, em última análise, resultam em peças mais densas e superfícies mais lisas. "

Tumkur, que também ganhou um prêmio de primeiro lugar no LLNL's Postdoc Research Slam 2019! competição pelo trabalho, disse que os feixes de Bessel expandem significativamente o espaço de parâmetros de varredura a laser sobre as formas tradicionais de feixe gaussiano. O resultado são piscinas de fusão ideais que não são muito rasas e não sofrem de fechadura - um fenômeno no qual o laser cria um vapor forte e causa uma cavidade profunda no substrato de metal durante as construções, como os pesquisadores do LLNL descobriram anteriormente. O buraco de fechadura cria bolhas na poça de fusão que formam poros e leva à degradação do desempenho mecânico nas peças acabadas.

Uma outra desvantagem dos feixes convencionais é que eles são propensos a difração (propagação) à medida que se propagam. Os feixes de Bessel proporcionam uma maior profundidade de foco devido às suas propriedades não difrativas. Consequentemente, os autores observaram um aumento da tolerância ao posicionamento da peça em relação ao ponto focal do laser usando feixes de Bessel. A colocação é um desafio para sistemas industriais que muitas vezes dependem de técnicas caras e sensíveis para posicionar uma construção em andamento dentro da profundidade de foco do feixe focado cada vez que uma camada de pó de metal é depositada.

"Os feixes de Bessel têm sido usados ​​extensivamente em imagens, microscopia e outras aplicações ópticas por suas propriedades não difrativas e autocurativas, mas as abordagens de engenharia de forma de feixe são bastante incomuns em aplicações de manufatura baseadas em laser, "Tumkur explicou." Nosso trabalho aborda a aparente desconexão entre a física ótica e a engenharia de materiais na comunidade de manufatura aditiva de metal, incorporando formas de feixe projetadas para obter controle sobre a dinâmica da piscina de fusão.

A equipe do LLNL moldou os feixes passando o laser através de duas lentes cônicas para produzir um formato de rosca, antes de passá-lo por lentes adicionais e um scanner para criar "anéis" ao redor do feixe central. Instalado em uma máquina de impressão comercial no Laboratório de Manufatura Avançada do LLNL, os pesquisadores usaram a configuração experimental para imprimir cubos e outras formas de pó de aço inoxidável.

Por meio de imagens de alta velocidade, pesquisadores estudaram a dinâmica da piscina de fusão, observar uma redução substancial na turbulência da poça de fusão e mitigação de "respingos" - as partículas derretidas de metal que voam do caminho do laser durante uma construção - o que geralmente leva à formação de poros.

Em estudos mecânicos e simulações, a equipe descobriu que as peças construídas com vigas Bessel eram mais densas, mais forte e tinha propriedades de tração mais robustas do que as estruturas construídas com vigas gaussianas convencionais.

"A indústria busca há muito tempo a capacidade de aumentar o controle do processo LPBF para minimizar os defeitos, "disse Ibo Matthews, o principal investigador do projeto antes de se tornar o líder da Divisão de Ciência de Materiais do LLNL. "A introdução de uma estrutura complexa ao feixe de laser adiciona maior flexibilidade para controlar com precisão a interação laser-material, deposição de calor e, em última análise, a qualidade das impressões. "

O cientista da computação do LLNL, Saad Khairallah, usou o código multifísico ALE3D desenvolvido pelo LLNL para simular a interação das formas de laser de feixe gaussiano e Bessel com faixas únicas de material em pó metálico. Ao comparar as faixas resultantes, a equipe descobriu que o feixe de Bessel demonstrou gradientes térmicos aprimorados em relação aos feixes de Gauss, encorajando uma melhor formação da microestrutura. Eles também alcançaram uma melhor distribuição de energia com feixes de Bessel, evitando a geração do "ponto quente" encontrada nos feixes gaussianos, que produzem piscinas profundas de fusão e formam poros.

"As simulações permitem que você obtenha um diagnóstico detalhado da física ocorrendo e, portanto, permite que você entenda os mecanismos fundamentais por trás de nossas descobertas experimentais, "Khairallah disse.

Apenas um dos muitos caminhos para melhorar a qualidade das peças de metal impressas em 3D que estão sendo estudadas no LLNL, modelagem de feixe é uma opção mais barata do que estratégias de varredura alternativas porque pode ser feita com baixo custo, incorporando elementos ópticos simples e pode reduzir a despesa e o tempo envolvido em técnicas de pós-processamento normalmente necessárias para peças construídas com feixes gaussianos, Disse Tumkur.

"Há uma grande necessidade de produzir peças robustas e sem defeitos, com a capacidade de imprimir estruturas muito grandes de maneira econômica, "Tumkur disse." Para tornar a impressão 3D realmente compatível com os padrões industriais e ir além das abordagens convencionais de manufatura, precisamos abordar algumas questões fundamentais que ocorrem em regimes temporais muito curtos e escalas microestruturais. Acho que a modelagem do feixe é realmente o caminho a percorrer porque pode ser aplicada para imprimir uma ampla gama de metais onipresentes e ser incorporada em sistemas de impressão comerciais sem representar desafios significativos de integrabilidade, como outras técnicas alternativas tendem a fazer. "