Fabricação aditiva (AM, também conhecida como impressão 3-D) nos permite criar formas incrivelmente complexas, o que não seria possível usando técnicas de fabricação tradicionais. Contudo, objetos criados usando AM têm propriedades diferentes das rotas de manufatura tradicionais, o que às vezes é uma desvantagem.

Fabricação aditiva a laser (LAM) usa um laser para fundir metal, cerâmica ou outros pós em formas 3-D complexas, camada por camada. As taxas de resfriamento são extremamente rápidas, e uma vez que são diferentes dos processos convencionais, não sabemos as condições ideais para obter as melhores propriedades, atrasar a adoção de LAM na produção de estruturas de engenharia essenciais para a segurança, como lâminas de turbina, armazenamento de energia e dispositivos biomédicos. Precisamos de um método para ver o interior do processo de LAM para melhor compreender e otimizar a interação laser-matéria e os mecanismos de consolidação do pó.

Baseado no Complexo de Pesquisa em Harwell, uma equipe de pesquisadores trabalhou com cientistas em I12, a linha de luz Joint Engineering Environment Processing (JEEP) e a Central Laser Facility para construir uma máquina de manufatura aditiva a laser que opera em uma linha de luz, permitindo que você veja o cerne do processo, revelando os fenômenos físicos subjacentes durante o LAM.

Professor Peter Lee da Universidade de Manchester, quem lidera o projeto explica:"O processo LAM é muito rápido, ocorrendo em milissegundos, e para investigar, precisamos de resolução de microssegundos, que só pode ser alcançado com o brilho de um síncrotron. Isso nos permite acompanhar o processo a partir do pó, através da fusão e, em seguida, solidificação de volta à forma sólida final. No JEEP, estamos investigando as superligas usadas em motores aéreos, e precisamos de alta energia, raios-X duros produzidos lá para ver dentro deles. "

No local, em operando radiografia de raios-x

Para esta pesquisa, a equipe criou um novo replicador de processo LAM, o LAMPR, o que lhes permite criar imagens e quantificar a formação da trilha de fusão conforme as camadas são impressas durante a manhã. O LAMPR foi projetado para caber na linha de luz e imita um sistema LAM comercial, com janelas transparentes aos raios X, permitindo que os cientistas vejam bem o cerne do processo de LAM à medida que ele ocorre. Eles usaram radiografia de raios-X com alta resolução temporal e espacial para descobrir os principais mecanismos de interação laser-matéria e consolidação de pó durante LAM, incluindo a formação e evolução das faixas de fusão, padrões de respingos, a zona desnudada (uma zona livre de pó) e porosidade nas camadas depositadas. A quantificação resolvida no tempo dos movimentos dos poros e respingos deu informações cruciais de suas velocidades e direção de fluxo, que não são possíveis de adquirir usando outras técnicas.

“O LAMPR é um equipamento único, e o suporte da linha de luz era absolutamente essencial. Trabalhamos com a equipe da Diamond desde a formulação da proposta. Diamond ajudou com o projeto mecânico, e a ótica e integração do LAMPR aos sistemas de controle ", diz o Dr. Alex Leung, o PDRA conduzindo os experimentos.

Os resultados desses experimentos esclarecem aspectos da física subjacente ao LAM, que são cruciais para o seu desenvolvimento. A hipótese anterior era que a formação de porosidade superficial em objetos acabados era devido à fusão incompleta ou alimentação de líquido insuficiente. Contudo, esta pesquisa mostra que ele é formado por meio de um mecanismo de estouro de poros. Poros próximos à superfície escapam para a atmosfera, deixando para trás uma depressão superficial.

Avançar, os resultados da equipe revelam que a trilha contínua de material derretido muitas vezes ocorre via pré-derretimento antes da trilha principal, impulsionado pela tensão superficial (fluxo de Marangoni), antes de entrar na faixa principal. O vapor de metal e o aquecimento do gás inerte são uma fonte potencial de defeitos, formando uma pluma que ejeta pó e gotículas derretidas da trilha principal.

Ao permitir que condições de processo variáveis ​​sejam estudadas, o LAMPR permitiu que a equipe criasse um mapa de processo que ilustra como ajustar o processo LAM para produzir um produto de qualidade com o mínimo de tentativa e erro. Ao contrário de um mapa de processo tradicional, imagem síncrotron produz um mapa de mecanismo, que revela a física fundamental que limita a janela do processo. Isso habilita a liga, condições ou mesmo processos a serem alterados para superar as restrições e obter um ambiente de processamento mais eficiente.

Esta metodologia lança uma nova luz sobre os mecanismos de formação de poros, incluindo a migração, dissolução, dispersão, e estouro de poros durante o LAM, e futuras investigações nessas áreas aprofundarão nossa compreensão fundamental da natureza da interação laser-matéria.