Un team del Lawrence Livermore National Laboratory ha dimostrato che una diagnostica che incorpora onde acustiche di superficie, generate da ultrasuoni basati su laser, può valutare in modo efficace e accurato le linee di fusione laser e trovare difetti nella stampa 3D di metalli di fusione del letto di polvere laser disperdendo energia acustica da linee di fusione, vuoti e le caratteristiche della superficie che possono essere rilevate rapidamente. Credito:David Stobbe/LLNL
I ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hanno sviluppato una nuova tecnica a ultrasuoni completamente ottica in grado di eseguire la caratterizzazione su richiesta delle tracce di fusione e di rilevare la formazione di difetti in un popolare processo di stampa 3D di metalli.
In un articolo pubblicato da Rapporti scientifici , i ricercatori di laboratorio propongono una diagnostica che utilizza onde acustiche di superficie (SAW), generate da ultrasuoni basati su laser, che possono rivelare minuscoli difetti superficiali e sub-superficiali nella stampa 3D di metalli con fusione laser a letto di polvere (LPBF). Il team ha riferito che il sistema sviluppato può valutare in modo efficace e accurato le linee di fusione laser, le tracce in cui il laser liquefa la polvere di metallo nella stampa LPBF, disperdendo l'energia acustica da linee di fusione, vuoti e caratteristiche della superficie che possono essere rilevate rapidamente. Il team ha convalidato i risultati utilizzando la microscopia ottica e la tomografia computerizzata a raggi X (TC).
"Ci auguriamo che questo lavoro dimostri il potenziale per un sistema a ultrasuoni completamente ottico in grado di caratterizzare in situ rapidamente e su richiesta i processi e le polveri LPBF", ha affermato David Stobbe, ingegnere e ricercatore principale di LLNL. "Il dimostrato sistema di onde acustiche di superficie a ultrasuoni basato su laser ha mostrato un'eccellente sensibilità alle caratteristiche della superficie e vicino alla superficie, comprese le interruzioni nella linea di fusione LPBF, schizzi sulla superficie metallica e vuoti d'aria nel sottosuolo".
Le onde acustiche di superficie sono state storicamente utilizzate per caratterizzare le caratteristiche della superficie e vicino alla superficie come crepe, fosse e saldature nei materiali ingegneristici e sono utilizzate in geologia, su una scala di lunghezza molto più ampia, per rilevare caratteristiche sotterranee come le grotte. A causa della loro sensibilità superficiale e vicino alla superficie, secondo i ricercatori, le SAW sono adatte per caratterizzare le linee di fusione nella stampa LPBF.
Per testare questo potenziale, il team LLNL ha condotto esperimenti producendo linee laser fuse utilizzando un laser a fibra diretto in una camera a vuoto e prodotto campioni di lega di titanio per l'analisi con laser alimentati da 100 watt, 150 watt e 350 watt. Successivamente, hanno sviluppato un metodo per produrre e rilevare le onde acustiche di superficie, utilizzando un laser pulsato per generare ultrasuoni e misurando lo spostamento con un interferometro laser fotorifrattivo.
Il team ha anche eseguito simulazioni per informare le misurazioni sperimentali e assistere nell'interpretazione dei risultati. Hanno simulato e misurato lo spostamento dal laser pulsato e hanno mostrato la dispersione dalla linea di fusione, nonché rotture nella linea di fusione, schizzi di metallo adiacenti alla linea di fusione e vuoti d'aria sotterranei sotto la linea di fusione. Il team ha misurato sperimentalmente le stesse caratteristiche e ha osservato un eccellente accordo tra simulazione ed esperimento.
I risultati degli esperimenti a ultrasuoni basati su laser (LBU) sono stati convalidati con la microscopia ottica, per le caratteristiche della superficie, e la tomografia computerizzata a raggi X per le caratteristiche del sottosuolo. I ricercatori hanno riferito che rispetto alla TC a raggi X, il sistema LBU è "in una posizione migliore per eseguire ispezioni in tempo reale e può acquisire ed elaborare i dati a una velocità maggiore".
"L'utilizzo degli ultrasuoni basati su laser ha ridotto significativamente il tempo per il rilevamento dei vuoti nel sottosuolo rispetto alla TC a raggi X convenzionale da giorni a minuti", ha affermato l'ingegnere LLNL e autore principale Kathryn Harke. "Sebbene sia necessario fare più sviluppo prima dell'implementazione di questa diagnostica per il monitoraggio in-process, il nostro team è entusiasta di questi risultati iniziali."
I ricercatori di laboratorio hanno affermato che, sebbene il metodo sia adatto per l'implementazione in situ nella stampa LPBF, esistono limiti alle dimensioni e alla profondità dei vuoti rilevabili e il monitoraggio in situ o l'ispezione post-costruzione richiederebbero un ulteriore sviluppo.
"Un sistema come questo potrebbe trovare impiego per qualificare rapidamente nuove macchine LPBF e macchine in servizio dopo modifiche alla materia prima di polvere metallica o modifiche alla potenza del laser fuso o alla velocità di scansione", ha affermato Stobbe.
I coautori del laboratorio includevano Joe Tringe, che ha concepito l'idea e il progetto LDRD, e Nick Calta, che ha progettato i campioni LPBF ed eseguito la microscopia ottica. + Esplora ulteriormente
