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    I diodi laser ad alta potenza possono ridurre lo stress residuo nelle parti stampate in 3D in metallo

    Questa immagine mostra il processo di costruzione e ricottura di un blocco rettangolare di acciaio inossidabile 316L. Il primo e il secondo pannello sono il laser a scansione focalizzato che fonde lo strato di polvere nella parte sottostante. Il terzo pannello è il diodo che accende e illumina la superficie della parte per riscaldarla e temprarla. L'ultimo pannello è subito dopo lo spegnimento del diodo, mostrando che il blocco è ad alta temperatura (> 950°C). Credito:Lawrence Livermore National Laboratory

    Nella stampa 3D, lo stress residuo può accumularsi nelle parti durante il processo di stampa a causa dell'espansione del materiale riscaldato e della contrazione del materiale freddo, generare forze che possono distorcere la parte e causare crepe che possono indebolire o lacerare una parte in pezzi, soprattutto nei metalli.

    Ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) e dell'Università della California, Davis sta affrontando il problema utilizzando diodi laser, laser ad alta potenza presi in prestito dalla tecnologia creata per la National Ignition Facility (NIF) di LLNL, per riscaldare rapidamente gli strati stampati durante una costruzione. La nuova tecnica, descritto in un articolo pubblicato online dalla rivista Additive Manufacturing, ha portato a una riduzione del 90% dello stress residuo effettivo nelle parti di prova stampate in 3D in metallo, consentendo ai ricercatori di ridurre il gradiente di temperatura (la differenza tra caldo e freddo estremi) e controllare i tassi di raffreddamento.

    "Nei metalli è davvero difficile superare queste sollecitazioni, " ha affermato l'autore principale del documento John Roehling. "C'è stato molto lavoro per cercare di fare cose come cambiare la strategia di scansione per ridistribuire le sollecitazioni residue, ma fondamentalmente il nostro approccio era di sbarazzarcene mentre costruivamo la parte, quindi non hai nessuno di questi problemi Utilizzando questo approccio, possiamo eliminare efficacemente le sollecitazioni residue al punto che non si verificano più guasti alle parti durante la costruzione."

    Ai fini dello studio, L'ingegnere LLNL e co-autore principale Will Smith ha costruito piccoli, strutture a ponte in acciaio inossidabile 316L che utilizzano il processo di fusione a letto di polvere laser (LPBF). Ha lasciato solidificare ogni strato prima di illuminare le loro superfici con i diodi, inizialmente a piena potenza e diminuendo immediatamente l'intensità per un periodo di 20 secondi. Il risultato è stato simile a mettere la parte in una fornace dopo ogni strato, poiché le temperature superficiali hanno raggiunto circa 1, 000 gradi centigradi (1, 832 gradi Fahrenheit).

    Le parti finite, con le loro gambe spesse e la sezione sottile a sbalzo, ha permesso ai ricercatori di misurare quanto stress residuo è stato alleviato tagliando una delle gambe e analizzando quanto si è spostata la sezione a sbalzo più debole. Quando si usavano i diodi, il ponte non si piegava più, ricercatori hanno detto.

    "Costruire le parti è stato simile a come funziona una normale stampante 3D in metallo, ma la parte nuova della nostra macchina è che utilizziamo un laser secondario che proietta su un'area più ampia e che successivamente riscalda la parte:aumenta rapidamente la temperatura e la raffredda lentamente in modo controllato, " ha detto Smith. "Quando abbiamo usato i diodi, abbiamo visto che c'era una tendenza alla riduzione dello stress residuo, ed è paragonato a ciò che si fa tradizionalmente ricottendo una parte in un forno successivo. Questo è stato un buon risultato, ed era promettente quanto fosse efficace la nostra tecnica."

    L'approccio è una derivazione di un precedente progetto in cui i diodi laser, sviluppato per appianare i laser in NIF, sono stati utilizzati per stampare in 3D interi strati di metallo in un colpo solo. È migliore di altri metodi comuni per ridurre lo stress residuo nelle parti metalliche, come modificare la strategia di scansione o utilizzare una piastra di costruzione riscaldata, ha detto Roehling. Perché l'avvicinamento scalda dall'alto, non c'è limite all'altezza delle parti.

    I ricercatori eseguiranno poi uno studio più approfondito, rivolgendo la loro attenzione all'aumento del numero di strati per ciclo di riscaldamento per vedere se possono ridurre lo stress residuo nella stessa misura, tentare parti più complesse e utilizzare tecniche più quantitative per ottenere una comprensione più approfondita del processo.

    "Questa tecnologia è qualcosa che potrebbe essere scalata, perché in questo momento stiamo proiettando su un'area relativamente piccola e c'è ancora molto spazio per miglioramenti, " ha detto Smith. " Aggiungendo più laser a diodi, potremmo aggiungere più area di riscaldamento se qualcuno volesse integrarla in un sistema con un'area di stampa più ampia."

    Ma ancora più importante, Roehling ha detto, i ricercatori esploreranno il controllo delle trasformazioni di fase nella lega di titanio (Ti64). Tipicamente, quando si costruisce con Ti64, trasformazione di fase rende il metallo estremamente fragile, causando la rottura delle parti. Se i ricercatori potessero evitare la trasformazione raffreddando lentamente la parte, potrebbe rendere il materiale abbastanza duttile da soddisfare gli standard aerospaziali, Roehling ha detto, aggiungendo che i risultati preliminari sono promettenti.


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