LLNL-Forscher untersuchen mithilfe von Röntgenbildgebungsexperimenten den Metall-3D-Druckprozess

Zweifellos hat der 3D-Metalldruck ein enormes Potenzial, die Fertigung zu revolutionieren, aber viele Branchen haben die Technologie aufgrund von Bedenken hinsichtlich der Teilequalität und -zertifizierung nur langsam eingeführt. Dies ist entscheidend, um Vertrauen in die kritischen Teile zu schaffen, die in Automobil- und Luftfahrtanwendungen verwendet werden.

In sorgfältig ausgearbeiteten Experimenten, die den Herstellungsprozess nachbilden, haben Forscher des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) zuvor viele der komplexen Mechanismen aufgedeckt, die die Fehlerbildung fördern und die Teilequalität im 3D-Metalldruck einschränken können. In letzter Zeit haben sich LLNL-Forscher mit Wissenschaftlern des SLAC National Accelerator Laboratory und des Ames Laboratory zusammengetan, um diesen Prozess besser zu verstehen, genauer zu untersuchen, was genau zu Fehlern in gedruckten Teilen führt und wie diese Fehler vermieden werden könnten. Die mehrjährige Partnerschaft wird vom Advanced Manufacturing Office des Energieministeriums für Energieeffizienz und erneuerbare Energien (EERE) finanziert und soll das Interesse der US-Industrie an Kooperationsprojekten wecken.

Eine der ersten wissenschaftlichen Arbeiten, die aus der Partnerschaft hervorgegangen sind, befasst sich mit der Verwendung von Röntgenbildern und Beugung, um in Metallteile zu sehen, wenn diese während des Laserpulverschmelzprozesses gedruckt werden, einem gängigen 3D-Metalldruckverfahren. Der LLNL – Forscher Nick Calta und sein Team haben eine tragbare Diagnosemaschine entworfen und gebaut, mit der das Schmelzbad untersucht werden kann, der Bereich, in dem der durchlaufende Laser auf das Metallpulver trifft und das Metallpulver geschmolzen und hergestellt wird Schichten, die schließlich zu einem vollständig geformten Teil werden. An der Stanford Synchrotron Radiation Lightsource am SLAC konnten die Forscher die Methode evaluieren und die Dynamik von Schmelzpools unter der Oberfläche erfolgreich beobachten, wodurch sie neue Einblicke in den Prozess erhielten. Die Studie wurde Anfang des Monats in der Fachzeitschrift Review of Scientific Instruments veröffentlicht. Die Zeitschrift wählte das Papier als “Editor’s Pick” aus.

“Die überwiegende Mehrheit der Diagnosen verwendet sichtbares Licht, das äußerst nützlich ist, sich aber auch auf die Analyse der Oberfläche des Teils beschränkt”, erklärte Calta, der Hauptautor des Papiers. “Wenn wir den Prozess wirklich verstehen und herausfinden wollen, was Fehler verursacht, müssen wir einen Weg finden, um die Probe zu durchdringen. Mit diesem Instrument können wir das tun.“

Die Montage eines tragbaren In-situ-Diagnosegeräts nach einem aggressiven Zeitplan sei eine Herausforderung, sagte Calta. Damit das Instrument wie vorgesehen funktioniert, musste es vom LLNL-Team zum SLAC transportiert werden, dessen Synchrotron den für die Untersuchung der Proben erforderlichen Röntgenfluss und energiereiche Röntgenstrahlen erzeugen konnte. Das Instrument lieferte Daten zu einer Kombination aus Bildgebung und Röntgenbeugung, sodass die Forscher sehen konnten, wie sich das Metall verfestigt, ein Schlüsselfaktor für die Festigkeit eines Teils. Sofort konnte das Team aussagekräftige Daten ermitteln, die noch analysiert werden.

“Wir erhalten Informationen über die Struktur des Schmelzpools und darüber, was während eines Aufbaus schief gehen kann”, sagte der LLNL-Physiker und Gruppenleiter für Lasermaterialwissenschaften, Ibo Matthews, der in den letzten Jahren experimentelle Methoden entwickelt hat, um die Physik hinter dem Laserverschmelzungsprozess zu verstehen. „Die Dampfwolke, die durch das Erwärmen des Schmelzbades mit einem Laser erzeugt wird, kann Taschen und Poren erzeugen. Diese Porendefekte können als Spannungskonzentratoren dienen und die mechanischen Eigenschaften des Teils beeinträchtigen.“

Matthews sagte, die Fähigkeit, die am Schmelzbad gebildeten Schichten zu sehen und die Röntgenbilder mit Simulationen zu vergleichen, bestätige Vorhersagen darüber, wie der Weg des Lasers, der Wärmestau und die durch den Laser verursachte Gaswolke zu Defekten führen können. Die Kombination dieses Verständnisses mit Modellierung und detaillierten Experimenten könnte dazu beitragen, Verbesserungen und das Vertrauen in Teile zu steigern, die im Metall-3D-Druck hergestellt werden.

Die Zusammenarbeit mit mehreren Labors ist ein Ableger des Big Ideas Summit (BIS) der National Laboratories der Energieabteilung, einer jährlichen Veranstaltung, die die Zusammenarbeit und strategische technische Planung im gesamten nationalen Laborkomplex erleichtern soll. Im Rahmen des Projekts bringt SLAC seine Fähigkeit ein, einzigartige Röntgenstrahlen zu erzeugen und Diagnosen durchzuführen, während die Wissenschaftler des Ames Lab ihr Know-how in den Bereichen Pulver- und Metallwerkstoffkunde einbringen.

Noch in der Anfangsphase der Zusammenarbeit, so Calta, haben die Forscher bereits damit begonnen, die Porenbildung zu ermitteln und Informationen über die Abkühlungsraten zu gewinnen. Sie erwarten, dass das neue Instrument zu einem besseren Verständnis des Laserschmelzprozesses führen und das Interesse der Industrie am 3D-Metalldruck weiter steigern wird. Schließlich wollen die Forscher ihre Flexibilität nutzen, um optische Diagnosen hinzuzufügen, die typischerweise auf kommerziellen Maschinen verwendet werden, um mit der Röntgenbildgebung zu korrelieren.

Neben den Mitarbeitern des SLAC National Accelerator Laboratory und des Ames Laboratory waren Jenny Wang, Aiden Martin, Gabe Guss und Phil DePond an dem Projekt beteiligt.