Neues Multibeam-3D-Metalldrucker-Testbett zum Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Laser und Material

Wissenschaftler und Ingenieure des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) haben den ersten Multibeam-Metall-3D-Drucker mit offener Architektur und offener Architektur entwickelt und entwickeln fortschrittliche Diagnosefunktionen, um die Mechanik hinter dem Multibeam-Prozess in einem vom Air Force Research Laboratory finanzierten Projekt zu verstehen.

Um dem Bedarf nach größeren Builds und schnelleren Druckzeiten gerecht zu werden, haben sich kommerzielle Metall 3D-Druckerhersteller für die gleichzeitige Verwendung mehrerer Laserstrahlen während eines Builds entschieden. Die Forschung und Entwicklung zur Optimierung des Multibeam-Prozesses bleibt jedoch bestehen.

In Zusammenarbeit mit GE Global Research designen und entwickeln sie eine Multibeam-Plattform mit offener Architektur und kommerzieller Qualität. Im Rahmen eines größeren Projekts, das von America Makes, einer öffentlich-privaten Partnerschaft zur Beschleunigung der additiven Fertigung und 3D-Druck, finanziert wird, führen Lab-Wissenschaftler und Ingenieure fokussierte Experimente durch. Das Projekt würde auch ein Upgrade der von LLNL und GE entwickelten Software erfordern, um die Multibeam-Technologie zu integrieren.

Das 18-monatige Projekt begann im vergangenen Frühjahr. Ein Team um den LLNL-Materialwissenschaftler Aiden Martin schuf die Multistrahl-Forschungsmaschine, indem er den Scankopf eines vorhandenen einstrahligen Fraunhofer-Aconity3D-Systems durch ein speziell angefertigtes Zweistrahlgerät ersetzte. Mit dieser aktualisierten Druckerplattform untersucht Martin’s Team, wie mehrere Laser zusammenarbeiten, um ein Bauteil zu bauen, und was während des Betriebs auftreten kann, um Fehler zu verursachen.

“Wir haben Experimente identifiziert, die grundlegend charakterisieren können, wie die beiden Laser indirekt durch verschiedene physikalische Phänomene wie Dampfschwaden und Plasmaerzeugung an der Oberfläche (des Builds) interagieren”, sagte Martin. “Wir betrachten wirklich die grundlegenden Einschränkungen des Multibeam-Prozesses, erweitern die Fähigkeiten der Software und die Optimierung des Prozesses.”

Martins Team hat erfolgreich Objekte mit dem System erstellt und beginnt mit der Charakterisierung der Teile. Sein Team wird an Diagnosetechniken wie der optischen Hochgeschwindigkeitsabbildung und Strahlprofilierung arbeiten, um neue Multibeam-Techniken und die Fehlerursachen zu untersuchen.

GE wandte sich an LLNL, um die Experimente auf der Grundlage früherer Untersuchungen durchzuführen, die vom LLNL-Physiker Ibo Matthews und seiner Gruppe durchgeführt wurden, um die Physik hinter dem Laser-3D-Druckverfahren zu verstehen. Theoretisch, so Matthews, sollten Multibeam-Drucker die Zeit für die Erstellung eines Objekts proportional zur Anzahl der Laser reduzieren – d. H., Zwei Laser könnten die Bauzeit halbieren. Diese idealisierte Skalierung und optimale Scan-Algorithmen seien jedoch bisher nicht realisiert worden, so Matthews.

“Die Art und Weise, wie die kommerziellen Multibeam-Systeme zustande kamen, war ähnlich wie die gesamte Technologie, da bei der Optimierung des Systems nicht viel Voraussicht bestand – es war wirklich nur ein Schlag auf den Laser und los”, sagte Matthews. „Es gibt grundlegende Fragen, auf die niemand wirklich eine Antwort hat. Das wichtigste ist, dass der Ursprung von Fehlern in diesen Systemen nicht gut charakterisiert ist. Wir gehen also definitiv weiter und die größeren Fragen bezüglich der idealen Art sind der Betrieb von Multibeam-Systemen.”

“Die Art von Messungen, die (Martin) und sein Team durchführen, wird die Wechselwirkung zweier Laser mit einer Metalloberfläche beim Scannen klären”, fügte er hinzu. “Es ist einfach noch nicht in den Tiefen erforscht, in die wir hinein wollen.”