Produzione additiva (AM, nota anche come stampa 3D) ci permette di creare forme incredibilmente complesse, che non sarebbe possibile con le tecniche di fabbricazione tradizionali. Però, gli oggetti creati utilizzando AM hanno proprietà diverse dai percorsi di produzione tradizionali, che a volte è uno svantaggio.

La produzione additiva laser (LAM) utilizza un laser per fondere insieme metalli, ceramiche o altre polveri in forme 3D complesse, strato per strato. Le velocità di raffreddamento sono estremamente rapide, e poiché sono diversi dai processi convenzionali non conosciamo le condizioni ottimali per ottenere le migliori proprietà, ritardare l'adozione di LAM nella produzione di strutture ingegneristiche critiche per la sicurezza, come pale di turbine, accumulo di energia e dispositivi biomedici. Abbiamo bisogno di un metodo per vedere all'interno del processo di LAM per comprendere meglio e ottimizzare l'interazione laser-materia e i meccanismi di consolidamento della polvere.

Con sede nel complesso di ricerca di Harwell, un team di ricercatori ha lavorato con scienziati presso I12, la linea di luce JEEP (Joint Engineering Environment Processing) e la Central Laser Facility per costruire una macchina per la produzione additiva laser che opera su una linea di luce, permettendoti di vedere nel cuore del processo, rivelando i fenomeni fisici sottostanti durante LAM.

Professor Peter Lee dell'Università di Manchester, chi guida il progetto spiega:"Il processo LAM è molto veloce, avviene in millisecondi, e per indagare abbiamo bisogno di una risoluzione in microsecondi, che si può ottenere solo con la brillantezza di un sincrotrone. Ci permette di seguire il processo dalla polvere, attraverso la fusione e quindi la solidificazione di nuovo nella forma solida finale. Su JEEP stiamo studiando le superleghe utilizzate nei motori aeronautici, e abbiamo bisogno dell'alta energia, raggi X duri prodotti lì per vedere dentro di loro."

Sul posto, in operando radiografia a raggi X

Per questa ricerca, il team ha creato un nuovo replicatore di processo LAM, la LAMP, che consente loro di visualizzare e quantificare la formazione della traccia di fusione mentre gli strati vengono stampati durante l'AM. Il LAMPR è stato progettato per adattarsi alla linea di luce e imita un sistema LAM commerciale, con finestre trasparenti ai raggi X, permettendo agli scienziati di vedere proprio nel cuore del processo LAM mentre si svolge. Hanno utilizzato la radiografia a raggi X con un'elevata risoluzione temporale e spaziale per scoprire i meccanismi chiave dell'interazione laser-materia e del consolidamento della polvere durante il LAM, compresa la formazione e l'evoluzione delle tracce di fusione, modelli di schizzi, la zona denudata (una zona priva di polvere) e la porosità negli strati depositati. La quantificazione risolta nel tempo dei movimenti dei pori e degli schizzi ha fornito informazioni cruciali sulle loro velocità e direzione del flusso, che non è possibile acquisire con altre tecniche.

"La LAMPR è un apparecchio unico, e il supporto della linea di luce era assolutamente essenziale. Abbiamo lavorato con lo staff Diamond fin dalla formulazione della proposta. Diamond ha aiutato con la progettazione meccanica, e l'ottica e l'integrazione del LAMPR nei sistemi di controllo", dice il dottor Alex Leung, il PDRA che guida gli esperimenti.

I risultati di questi esperimenti chiariscono aspetti della fisica alla base del LAM, fondamentali per il suo sviluppo. L'ipotesi precedente era che la formazione di porosità superficiale sugli oggetti finiti fosse dovuta a fusione incompleta oa insufficiente alimentazione di liquidi. Però, questa ricerca mostra che si forma tramite un meccanismo di rottura dei pori. I pori vicino alla superficie sfuggono nell'atmosfera, lasciando dietro di sé una depressione superficiale.

Ulteriore, i risultati del team rivelano che la traccia continua del materiale fuso spesso avviene tramite pre-fusione prima della traccia principale, spinta dalla tensione superficiale (flusso Marangoni), prima di fondersi nella traccia principale. Il vapore metallico e il riscaldamento del gas inerte sono una potenziale fonte di difetti, formando un pennacchio che espelle polvere e goccioline fuse lontano dal binario principale.

Consentendo lo studio delle diverse condizioni di processo, il LAMPR ha permesso al team di creare una mappa del processo che illustra come mettere a punto il processo LAM per produrre un prodotto di qualità con tentativi ed errori minimi. A differenza di una mappa di processo tradizionale, l'imaging di sincrotrone produce una mappa dei meccanismi, che rivela la fisica fondamentale che limita la finestra del processo. Ciò consente alla lega, condizioni o addirittura processi da modificare per superare le restrizioni e ottenere un ambiente di elaborazione più efficiente.

Questa metodologia getta nuova luce sui meccanismi di formazione dei pori, compresa la migrazione, dissoluzione, dispersione, e rottura dei pori durante la LAM, e future indagini in queste aree approfondiranno la nostra comprensione fondamentale della natura dell'interazione laser-materia.