A adição de uma nova câmera infravermelha na fonte avançada de fótons da Argonne reduz a lacuna entre a pesquisa básica e a aplicada na manufatura aditiva.

Um dos maiores desafios enfrentados pela indústria de impressão 3-D é como garantir a reprodutibilidade de alta qualidade das peças. Sem melhores insights sobre como detectar e impedir defeitos, a tecnologia tem limitações na produção de peças de commodities.

Esse insight tão necessário está na ponta dos dedos dos designers industriais agora, graças a uma nova ferramenta disponível para a indústria e pesquisadores do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE). A instalação de uma câmera infravermelha na fonte de raios-X de alta energia na Fonte Avançada de Fótons de Argonne, um DOE Office of Science User Facility, permite aos pesquisadores medir assinaturas térmicas em superfícies em tempo real.

Argonne foi o primeiro laboratório nacional dos EUA a integrar um aparelho de impressão 3-D de metal em uma linha de luz, ou caminho do fóton, para diagnóstico de raios-X. É também o único laboratório nacional que pode ver o pó de metal derretendo na área chamada "piscina de fusão" em menos de um nanossegundo. Adicionar a câmera infravermelha de alta velocidade a uma linha de luz síncrotron é outra inovação, e permite aos pesquisadores replicar mais de perto os processos de deposição que ocorrem em um chão de fábrica real.

As ferramentas de diagnóstico combinadas permitem que a indústria e os pesquisadores capturem imagens de raios-X em 1, 000, 000 quadros por segundo e imagens térmicas a 100, 000 quadros por segundo durante os processos de impressão 3-D. Isso cria filmes da formação dos principais defeitos causados ​​pela instabilidade da poça de fusão, ejeção de respingos de pó e estratégia de varredura inadequada.

Imagem complementar

Usado lado a lado com microscopia de raios-X, a imagem térmica de alta velocidade pode fornecer novos insights sobre quanto e com que rapidez diferentes regiões na peça aquecem e esfriam durante toda a construção, que envolve milhões de varreduras de linha a laser. Esses insights podem ser usados ​​para reduzir as variações no design das peças, e melhorar a eficiência da manufatura aditiva para produtos de consumo, defesa, Medicina, automotivo e muitas outras aplicações de campo.

"Imagens de infravermelho e raios-X complementam-se, "disse o físico de Argonne Tao Sun." De um lado, você tem os raios X penetrando na amostra para ajudá-lo a ver as microestruturas sem qualquer informação térmica, enquanto, do outro, você tem a câmera infravermelha que captura muitas assinaturas térmicas associadas. "

Uma maneira pela qual a câmera infravermelha aumenta a imagem de raios-X é ajudando a visualizar a formação de plumas de pó vaporizado, que se formam quando o laser atinge e se move através do pó. Essas plumas, alto no calor, pode atrapalhar o desempenho do laser.

Essas plumas não podem ser vistas usando raios-X apenas devido ao estado vaporizado das partículas, mas são capturados por luz infravermelha. Juntamente com as medições feitas por raios-X, tais dados, bem como outros parâmetros importantes, incluindo taxas de aquecimento e resfriamento, pode alimentar modelos de impressão 3-D para melhorar sua precisão e velocidade.

Fazendo uma ponte entre ciência básica e ciência aplicada

Outro benefício importante das câmeras infravermelhas é a capacidade de integração em sistemas de manufatura aditiva, aproximando a pesquisa fundamental feita na APS dos usuários do mundo real.

Sun e Greco veem um futuro em que os usuários de sistemas de manufatura aditiva podem conectar câmeras infravermelhas a suas máquinas para aproveitar os insights encontrados a partir do acoplamento de imagens de raios X e infravermelho, como uma assinatura térmica (encontrada por meio de imagens de infravermelho) correlacionada com a formação de um defeito (capturado por meio de imagens de raios-X). Se encontrado, os usuários podiam identificar quando os defeitos estavam se formando em seus próprios sistemas com base em uma determinada assinatura, e tomar medidas preventivas para mitigar ou corrigir o problema.

Essas aplicações potenciais estão muito longe no futuro, Sun disse, mas exemplifique os benefícios potenciais da integração de ambas as técnicas de imagem.

"Nem todo mundo tem a sorte de ter acesso a uma poderosa fonte de luz de raios-X como o APS, então, se pudermos encontrar maneiras de fornecer informações e usar ferramentas às quais a maioria das pessoas tem acesso, como câmeras térmicas, podemos ter um impacto ainda maior no campo, " ele disse.

A câmera infravermelha está localizada na linha de luz 32-ID-B da Fonte Avançada de Fótons. A câmera IR foi financiada por um programa LDRD como parte do Programa de Ciência e Engenharia de Manufatura da Argonne. Veja um vídeo sobre esta nova tecnologia aqui.