p Obra de arte mostrando o limite e a origem da porosidade do buraco da fechadura. No lado esquerdo da figura, o limite da porosidade do buraco da fechadura na potência do laser - o espaço de velocidade de varredura é nítido e suave. Do lado direito, em torno do limite de porosidade, a instabilidade crítica do buraco da fechadura libera ondas acústicas (ondas de choque) na poça de fusão. As ondas então conduzem o poro próximo à ponta do buraco da fechadura para acelerar rapidamente para longe do buraco da fechadura. Quando o poro é capturado pela frente de solidificação, torna-se um defeito estrutural prejudicial na construção. Crédito:Ye Feng, Cang Zhao na Universidade de Tsinghua
p A fusão a laser em leito de pó é uma tecnologia dominante de manufatura aditiva que ainda não atingiu seu potencial. O problema enfrentado pela indústria é que pequenas bolhas ou poros às vezes se formam durante o processo de impressão, e esses poros criam pontos fracos nos produtos acabados. p Quando uma velocidade lenta, o laser de alta potência está derretendo pó de metal durante a impressão 3-D de uma peça, uma cavidade em forma de buraco de fechadura na poça de fusão pode resultar. Poros, ou seja, defeitos, forma na parte inferior do buraco da fechadura. Nova pesquisa publicada em
Ciência revela como os poros são gerados e se tornam defeitos presos no metal em solidificação.
p "O verdadeiro valor prático desta pesquisa é que podemos ser precisos sobre o controle das máquinas para evitar esse problema, "diz Anthony D. Rollett, professor de ciência de materiais e engenharia na Carnegie Mellon College of Engineering e co-autor principal do artigo, "Instabilidade crítica ao mover a ponta do buraco da fechadura gera porosidade no derretimento a laser."
p Com base em pesquisas anteriores que quantificaram o fenômeno do buraco da fechadura, a equipe de pesquisa usou imagens de raios-X de alta energia extremamente brilhantes para observar as instabilidades do buraco da fechadura. Os poros se formam durante as flutuações do buraco da fechadura, e muda sua forma:a ponta do buraco da fechadura se transforma em uma forma de "J" e se solta. Esse comportamento instável gera ondas acústicas no metal líquido que forçam os poros para longe do buraco da fechadura, de modo que eles sobrevivam o tempo suficiente para ficarem presos no metal de solidificação. A equipe é a primeira a focar nesse comportamento e identificar o que está acontecendo.
p Esquema do experimento de raio-x síncrotron operando na fusão de leito de pó a laser (LPBF), com ótica de raios-x para controlar o feixe, porta-amostras com placas de carbono vítreo para conter o pó, cintilador para converter raios-x em luz, câmera de alta velocidade para capturar filmes e laser de alta potência com cabeça de varredura para fornecer um feixe de laser para derreter a superfície da amostra. Crédito:Carnegie Mellon University College of Engineering
p "Quando você tem um buraco de fechadura profundo, as paredes oscilam fortemente. Ocasionalmente, as oscilações são fortes o suficiente na parte inferior do buraco da fechadura para arrancar, deixando uma grande bolha para trás. Às vezes, essa bolha nunca se reconecta ao buraco da fechadura principal. Ele entra em colapso e gera uma onda de choque acústica. Isso empurra os poros restantes para longe do buraco da fechadura, "explica Rollett.
p É importante observar que os buracos da fechadura em si não são falhas e, por exemplo., eles aumentam a eficiência do laser. Usando equipamento de raios-X síncrotron no Argonne National Laboratories, a única instalação nos Estados Unidos onde os pesquisadores puderam realizar esses experimentos, eles notaram que há um limite bem definido entre fechaduras estáveis e instáveis.
Imagem de raio-x de alta velocidade da formação de porosidade em buraco de fechadura na fabricação de aditivos por fusão de leito de pó a laser. Crédito:Zhao et al., Ciência (2020) p "Contanto que você fique fora da zona de perigo [ou seja, muito quente, muito devagar], o risco de deixar defeitos é muito pequeno, "diz Rollett.
p As flutuações na profundidade do buraco da fechadura aumentam fortemente com a diminuição da velocidade de varredura e da potência do laser no lado instável do limite.
p "Você pode pensar na fronteira como um limite de velocidade, exceto que é o oposto de dirigir um carro. Nesse caso, fica mais perigoso à medida que você vai mais devagar. Se você estiver abaixo do limite de velocidade, então você quase certamente está gerando um defeito, "acrescenta Rollett.
Imagem de raio-x de MHz da formação e movimento inicial dos poros do buraco da fechadura em torno do limite da porosidade do buraco da fechadura na fusão a laser. O contraste foi invertido para destacar a dinâmica do buraco da fechadura e dos poros. Crédito:Zhao et al., Ciência (2020) p Em uma escala mais ampla, provando a existência de limites de porosidade de buraco de fechadura bem definidos e demonstrando a capacidade de reproduzi-los, a ciência pode oferecer uma base mais segura para prever e melhorar os processos de impressão. Rollett, que é o codiretor do corpo docente do Next Manufacturing Center da Carnegie Mellon, acredita que as descobertas dessa pesquisa descobrirão rapidamente como as empresas operam suas impressoras 3-D.
Assista ao Prof. Rollett discutir o processo de impressão 3D com metais, bem como o uso de técnicas de caracterização avançadas para resolver os desafios da indústria no campo.
