I ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hanno compiuto un passo promettente nel migliorare l'affidabilità delle tecniche di stampa 3D in metallo basate su laser misurando l'emissione di elettroni dalla superficie dell'acciaio inossidabile durante la lavorazione laser.

I ricercatori hanno raccolto segnali di emissione termoionica dall'acciaio inossidabile 316L in condizioni di fusione a letto di polvere laser (LPBF) utilizzando un dispositivo personalizzato, banco di prova e un preamplificatore di corrente che misurava il flusso di elettroni tra la superficie metallica e la camera. Quindi hanno usato l'emissione termoionica generata per identificare le dinamiche causate dalle interazioni laser-metallo. Il giornale Materiali di comunicazione ha pubblicato il lavoro online il 27 novembre.

Il team ha affermato che i risultati illustrano il potenziale del rilevamento delle emissioni termoioniche per rilevare fenomeni guidati dal laser che possono causare difetti nelle parti, ottimizzare i parametri di costruzione e migliorare la conoscenza del processo LPBF integrando le capacità diagnostiche esistenti. I ricercatori hanno affermato che la capacità di catturare l'emissione termica degli elettroni aiuterà a far progredire la comprensione di base delle dinamiche di interazione laser-materiale coinvolte nel processo LPBF e supporterà la più ampia comunità di maturazione della tecnologia nel creare fiducia nelle parti create utilizzando la tecnica.

"La produzione di parti prive di difetti è un grosso ostacolo per l'adozione commerciale diffusa della produzione additiva in metallo (AM), " ha detto il ricercatore principale Aiden Martin. "I ricercatori del LLNL hanno affrontato questo problema sviluppando processi e strumenti diagnostici per migliorare l'affidabilità dell'AM metallico. Questa nuova metodologia integra questi strumenti diagnostici esistenti per aumentare la nostra comprensione del processo di stampa 3D. I nostri prossimi passi sono espandere questa tecnologia in un sensore che opera su un sistema LPBF a grandezza naturale per aumentare la fiducia nella qualità delle parti costruite".

I ricercatori hanno affermato che mentre sono state condotte ricerche significative per comprendere e misurare come le parti vengono stampate con LPBF attraverso l'imaging ottico, radiografie o misurazioni di emissioni di segnali termici o acustici, l'emissione termoionica è stata trascurata. Ma osservando e analizzando gli elettroni emessi durante l'elaborazione laser, I ricercatori di laboratorio hanno dimostrato di poter collegare l'aumento dell'emissione termoionica alla temperatura superficiale e alle condizioni di scansione laser che causano la formazione di pori e difetti delle parti.

Attraverso dati sperimentali e simulazioni, i ricercatori hanno riferito che il segnale di emissione termoionica è aumentato in modo esponenziale, e la profondità del bagno di fusione è aumentata linearmente, con densità energetica locale, dimostrando la "dipendenza critica" della temperatura superficiale del metallo dalle emissioni termoioniche e l'utilità di utilizzare segnali termoionici come un modo per ottimizzare la messa a fuoco laser in LPBF.

"L'emissione di elettroni nella produzione di additivi metallici è stata generalmente trascurata dalla comunità, ed eravamo entusiasti di osservare la sua estrema sensibilità alle condizioni di processo, " ha detto il primo autore e ingegnere LLNL Phil DePond.

Le osservazioni del team hanno rivelato che la formazione di plasma durante il processo LPBF, che in precedenza attribuivano alla ionizzazione del metallo vaporizzato da parte del raggio laser, potrebbe anche essere causato da elettroni che vengono espulsi dalla superficie metallica nell'atmosfera di gas argon e interagiscono con il laser.

I ricercatori hanno affermato che l'elevata sensibilità dell'emissione termoionica alla temperatura e alla morfologia superficiale consente loro di determinare l'esatto punto di transizione tra la conduzione e la formazione del buco della serratura, che provoca la formazione di pori in alcune parti. Hanno concluso che i risultati mostrano che i segnali termoionici possono essere utilizzati efficacemente con i tradizionali metodi di raccolta e elaborazione dei dati LPBF, migliorare la conoscenza scientifica delle interazioni laser-materiale e identificare dove potrebbero sorgere difetti.

Più in generale, il lavoro "rappresenta un passo importante verso la creazione di capacità di monitoraggio in situ efficaci che possono accelerare la qualificazione e la certificazione dei componenti LPBF, ", ha affermato Manyalibo "Ibo" Matthews, coautore e leader del gruppo scientifico di interazione dei materiali laser.