Uma tecnologia desenvolvida originalmente para suavizar e modelar feixes de laser de alta potência para a National Ignition Facility (NIF) pode ser usada para imprimir objetos de metal em 3D mais rápido do que nunca, de acordo com um novo estudo realizado por pesquisadores de Lawrence Livermore.

Uma equipe de cientistas de laboratório relata as descobertas na última edição da Optics Express , publicado online em 15 de maio. Este novo método - Diodo-based Additive Manufacturing (DiAM) - usa matrizes de alta potência de diodos laser, um laser Q-comutado e um modulador de laser especializado desenvolvido para NIF para imprimir em flash uma camada inteira de pó de metal de cada vez, em vez de varredura raster com um laser em cada camada, como com os sistemas convencionais de manufatura aditiva por fusão em leito de pó (PBFAM).

O resultado, pesquisadores disseram, é a possibilidade de que grandes objetos de metal possam ser impressos em uma fração do tempo necessário para impressoras 3-D de metal no mercado hoje, ampliando as possibilidades para indústrias que exigem peças de metal maiores, como aeroespacial e automotivo. A combinação de velocidade e grau de flexibilidade de design proporcionada pelo método DiAM, a equipe concluiu, está potencialmente "muito além" dos atuais sistemas baseados em fusão em leito de pó.

"Reduzindo o tempo de impressão e tendo a capacidade de aumentar a escala, este processo pode revolucionar a fabricação de aditivos de metal, "disse Ibo Matthews, um cientista do LLNL chefiando a pesquisa e o autor principal do artigo. "A economia de tempo de iluminação, nós estimamos, é tal que uma construção de um metro cúbico que exigiria 10 anos de iluminação por varredura de varredura para ser feita exigiria apenas algumas horas com DiAM, porque você pode criar imagens de cada camada de uma vez. Imprimir com uma imagem em escala de cinza também pode permitir que você reduza a tensão residual porque você pode ajustar as tensões térmicas espacial e temporalmente. "

A "magia" do processo, Matthews disse, é a implementação de um modulador de laser personalizado denominado válvula de luz opticamente endereçável (OALV), que contém uma célula de cristal líquido e um cristal fotocondutor em série. Muito parecido com um projetor baseado em cristal líquido, pesquisadores explicaram, o OALV é usado para esculpir dinamicamente a luz laser de alta potência de acordo com imagens pré-programadas camada por camada. Mas, ao contrário de um projetor de cristal líquido convencional, o OALV não tem pixelização e pode lidar com altas potências de laser.

A tecnologia foi originalmente projetada e instalada no NIF como parte do sistema LEOPARD (Otimização de Energia Laser por Ajustes de Precisão para a Distribuição Radiante), que foi implantado em 2010 e ganhou um prêmio R&D 100 em 2012. No NIF, o OALV é usado para otimizar o perfil dos feixes de laser e proteger e proteger localmente as ópticas sujeitas a intensidades e fluências mais altas (ou densidade de energia - a quantidade de energia do laser para uma determinada área da unidade). Com LEOPARD, O NIF protege eletronicamente regiões de seus feixes contendo falhas potencialmente ameaçadoras em sua ótica final, conforme identificado pelo sistema Final Optics Damage Inspection (FODI). Isso permite que o NIF continue disparando até que a programação permita que essas óticas sejam removidas, reparado e reintroduzido na linha de luz.

A equipe que primeiro demonstrou que a válvula de luz poderia ser usada para imprimir peças foi inicialmente liderada por James DeMuth, um ex-pesquisador do LLNL. John Heebner, o cientista do LLNL que liderou o desenvolvimento do OALV descreveu seu uso na impressão 3-D de metal como uma "sinergia natural".

"O projeto DiAM combina duas tecnologias que fomos os pioneiros no laboratório - matrizes de diodos de laser de alta potência e o OALV, "Heebner disse." Considerando que colocamos todo esse tempo e desenvolvimento nesta válvula de luz, tornou-se uma extensão natural aplicá-lo a este projeto. Fizemos alguns cálculos e ficou claro desde o início que funcionaria (com impressão 3-D). A capacidade de alterar um processo serial para um processo paralelo é crítica para garantir que, conforme as peças aumentam em complexidade ou tamanho, a velocidade do processo de padronização pode ser aumentada para acompanhar. "

Além da capacidade de produzir peças potencialmente maiores, o uso de tal válvula resulta em qualidade de imagem que rivaliza e pode exceder as impressoras 3D de metal de hoje, e a capacidade de ajustar gradientes na imagem projetada significa melhor controle sobre a tensão residual e microestrutura do material, pesquisadores disseram.

Com a impressão DiAM, a luz do laser é fornecida por um conjunto de quatro matrizes de laser de diodo e um laser pulsado de nanossegundos. Ele passa pela OALV, que padroniza uma imagem de uma "fatia" bidimensional da parte 3-D desejada. As imagens vão de um arquivo de computador digital ao laser em um processo de modulação de cristal líquido em dois estágios. Na primeira fase, as imagens são provenientes de um modelo CAD digitalizado e impressas em uma fonte de LED azul de baixa potência usando um comum, projetor de cristal líquido pixelado. Na segunda fase, as imagens azuis ativam a camada fotocondutora do OALV criando manchas condutoras locais (onde a luz azul está presente) que transferem voltagem para sua camada de cristal líquido. Isso permite que as imagens azuis de baixa potência modulem o feixe de laser de alta potência. O feixe é então direcionado para um plano de construção, imprimir toda a camada de metal de uma vez. Para o estudo, os pesquisadores usaram pó de estanho, demonstrando com sucesso a impressão de dois pequenos modelos 3-D, um impulsor (uma pequena estrutura de lâmina de turbina) e o logotipo LLNL.

Embora a aceleração do processo de aditivo de metal tenha sido o principal motivador para a busca da tecnologia no LLNL, o tamanho de construção maior pode ter um valor significativo para a missão central do laboratório de gestão de estoque, disseram os pesquisadores. Os diodos de laser - que fornecem a maior parte da energia em comparação com o sistema de laser pulsado - também são baratos para comprar, portanto, tal sistema seria mais econômico do que as máquinas baseadas em laser de fibra do mercado hoje.