تشكيل شعاع الليزر لتحسين الطباعة ثلاثية الأبعاد للمعادن
أشعة الليزر بيسل

لمعالجة المسامية والعيوب في الطباعة المعدنية ثلاثية الأبعاد ، أجرى باحثو مختبر لورانس ليفرمور الوطني تجارب على أشكال شعاع الليزر الضوئية الغريبة المعروفة باسم حزم بيسيل – التي تذكرنا بأنماط بولس. اكتشفوا أن الحزم لها خصائص فريدة مثل الشفاء الذاتي وعدم الانعراج وتقليل احتمالية تكوين المسام و “keyholing” ، وهي ظاهرة تحفز المسامية تتفاقم بسبب استخدام الحزم الغاوسية. الائتمان: فيرونيكا تشين / إل إل إن إل

بينما أحدثت تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد القائمة على الليزر ثورة في إنتاج الأجزاء المعدنية من خلال توسيع تعقيد التصميم بشكل كبير ، فإن أشعة الليزر المستخدمة تقليديًا في طباعة المعادن لها عيوب يمكن أن تؤدي إلى عيوب وضعف الأداء الميكانيكي.

يعالج الباحثون في مختبر لورانس ليفرمور الوطني (LLNL) هذه المشكلة من خلال استكشاف أشكال بديلة للحزم الغاوسية المستخدمة بشكل شائع في عمليات الطباعة بالليزر عالية الطاقة مثل انصهار طبقة مسحوق الليزر (LPBF).

في ورقة نشرها تقدم العلمقام الباحثون بتجربة أشكال شعاع ضوئي غريبة تعرف باسم حزم بيسيل – تذكرنا بأنماط بولس – والتي تمتلك عددًا من الخصائص الفريدة مثل الشفاء الذاتي وعدم الانعراج. اكتشفوا أن تطبيق هذه الأنواع من الحزم يقلل من احتمال تكوين المسام و “keyholing” ، وهي ظاهرة تحفز المسامية في LPBF والتي تفاقمت بسبب استخدام الحزم الغاوسية. ظهر العمل على غلاف المجلة في 17 سبتمبر 2021.

قال باحثو LLNL إن العمل يشير إلى أن الأشكال البديلة مثل حزم Bessel يمكن أن تخفف من المخاوف الرئيسية في تقنية LBPF: التدرج الحراري الكبير وعدم استقرار تجمع الذوبان المعقد الذي يحدث حيث يلتقي الليزر بالمسحوق المعدني. تحدث المشكلات في الغالب بسبب أشكال الشعاع الغاوسي التي تنتجها معظم أنظمة الليزر عالية الطاقة الجاهزة عادةً.

“استخدام الحزم الغوسية يشبه إلى حد كبير استخدام قاذف اللهب لطهي طعامك ؛ قال المؤلف الرئيسي وعالم أبحاث LLNL Thej Tumkur Umanath ، “ليس لديك الكثير من التحكم في كيفية ترسب الحرارة حول المادة”. “باستخدام شعاع Bessel ، تعني حقيقة أننا نعيد توزيع بعض هذه الطاقة بعيدًا عن المركز أنه يمكننا هندسة الملامح الحرارية وتقليل التدرجات الحرارية للمساعدة في صقل الحبيبات المجهرية ، وفي النهاية ، ينتج عن ذلك أجزاء أكثر كثافة وأسطح أكثر سلاسة.”

Tumkur ، التي فازت أيضًا بجائزة المركز الأول في LLNL’s 2019 Postdoc Research Slam! المنافسة على العمل ، قال Bessel إن أشعة Bessel توسع بشكل كبير مساحة معلمة المسح بالليزر على أشكال شعاع Gaussian التقليدية. والنتيجة هي أحواض تذوب مثالية ليست ضحلة جدًا ولا تعاني من ثقب المفتاح – وهي ظاهرة ينتج فيها الليزر بخارًا قويًا ويسبب تجويفًا عميقًا في الركيزة المعدنية أثناء الإنشاءات ، كما وجد باحثو LLNL سابقًا. تخلق Keyholing فقاعات في حوض الذوبان الذي يشكل المسام ويؤدي إلى تدهور الأداء الميكانيكي في الأجزاء النهائية.

أحد العوائق الأخرى للحزم التقليدية هو أنها عرضة للانحراف (الانتشار) أثناء انتشارها. توفر حزم Bessel عمقًا أكبر للتركيز نظرًا لخصائصها غير الانكسارية. ونتيجة لذلك ، لاحظ المؤلفون زيادة التسامح مع موضع قطعة الشغل فيما يتعلق بنقطة بؤرية الليزر باستخدام حزم Bessel. يمثل التنسيب تحديًا للأنظمة الصناعية التي تعتمد غالبًا على تقنيات باهظة الثمن وحساسة لوضع بنية قيد التنفيذ داخل عمق تركيز الحزمة المركزة في كل مرة يتم فيها ترسيب طبقة من مسحوق المعدن.

وأوضح تومكور: “تم استخدام حزم Bessel على نطاق واسع في التصوير والفحص المجهري والتطبيقات البصرية الأخرى لخصائصها غير الانكسارية والشفاء الذاتي ، ولكن مناهج هندسة شكل الشعاع غير شائعة إلى حد ما في تطبيقات التصنيع القائمة على الليزر”. “يعالج عملنا الانفصال الظاهر بين الفيزياء البصرية وهندسة المواد في مجتمع تصنيع المواد المضافة للمعادن من خلال دمج أشكال شعاع المصمم لتحقيق التحكم في ديناميكيات حوض الذوبان.”

قام فريق LLNL بتشكيل الحزم عن طريق تمرير الليزر عبر عدستين مخروطيتين لإنتاج شكل دائري ، قبل تمريره عبر بصريات إضافية وماسحة ضوئية لإنشاء “حلقات” حول الحزمة المركزية. تم تثبيته في آلة طباعة تجارية في مختبر التصنيع المتقدم في LLNL ، واستخدم الباحثون الإعداد التجريبي لطباعة المكعبات والأشكال الأخرى من مسحوق الفولاذ المقاوم للصدأ.

من خلال التصوير عالي السرعة ، درس الباحثون ديناميكيات حوض الذوبان ، ولاحظوا انخفاضًا كبيرًا في اضطراب تجمع الذوبان وتخفيف “تناثر” – جزيئات المعدن المنصهرة التي تتطاير من مسار الليزر أثناء البناء – والتي تؤدي عمومًا إلى المسام. تشكيل.

في الدراسات الميكانيكية والمحاكاة ، وجد الفريق أن الأجزاء التي تم بناؤها باستخدام حزم Bessel كانت أكثر كثافة وأقوى ولها خصائص شد أكثر قوة من الهياكل المبنية باستخدام حزم Gaussian التقليدية.

قال إيبو ماثيوز ، الباحث الرئيسي في المشروع قبل أن يصبح قائد قسم علوم المواد في LLNL: “لقد سعت الصناعة منذ فترة طويلة إلى القدرة على زيادة السيطرة على عملية LPBF لتقليل العيوب إلى الحد الأدنى”. “يضيف تقديم بنية معقدة لشعاع الليزر مزيدًا من المرونة للتحكم بدقة في تفاعل مادة الليزر وترسيب الحرارة وفي النهاية جودة المطبوعات.”

استخدم عالم الكمبيوتر في LLNL ، سعد خيرالله ، كود LLNL متعدد الفيزياء الذي طوره ALE3D لمحاكاة تفاعل كل من أشكال الليزر الشعاعي Gaussian و Bessel مع مسارات مفردة من مادة المسحوق المعدني. من خلال مقارنة المسارات الناتجة ، وجد الفريق أن حزمة Bessel أظهرت تدرجات حرارية محسّنة على حزم Gaussian ، مما شجع على تكوين بنية مجهرية أفضل. لقد حققوا أيضًا توزيعًا أفضل للطاقة باستخدام عوارض Bessel ، وتجنبوا جيل “النقاط الساخنة” الموجود في عوارض Gaussian ، التي تنتج برك ذائبة عميقة وتشكل مسامًا.

قال خير الله: “تسمح لك عمليات المحاكاة بالحصول على تشخيصات مفصلة للفيزياء الجارية ، وبالتالي تتيح لك فهم الآليات الأساسية وراء نتائجنا التجريبية”.

مجرد واحد من العديد من المسارات لتحسين جودة الأجزاء المعدنية المطبوعة ثلاثية الأبعاد التي تتم دراستها في LLNL ، يعد تشكيل الحزمة خيارًا أرخص من استراتيجيات المسح البديلة لأنه يمكن إجراؤه بتكلفة قليلة من خلال دمج عناصر بصرية بسيطة ويمكن أن يقلل التكلفة والوقت تشارك في تقنيات ما بعد المعالجة اللازمة عادةً للأجزاء المبنية باستخدام عوارض غاوسية ، كما قال تومكور.

قال تومكور: “هناك حاجة كبيرة لإنتاج أجزاء قوية وخالية من العيوب ، مع القدرة على طباعة هياكل كبيرة جدًا بطريقة فعالة من حيث التكلفة”. “لجعل الطباعة ثلاثية الأبعاد متوافقة حقًا مع المعايير الصناعية وتجاوز أساليب التصنيع التقليدية ، نحتاج إلى معالجة بعض المشكلات الأساسية التي تحدث في الأنظمة الزمنية القصيرة جدًا والمقاييس الهيكلية الدقيقة. أعتقد أن تشكيل الحزمة هو حقًا الطريق الصحيح لأنه يمكن تطبيقه لطباعة مجموعة واسعة من المعادن في كل مكان ودمجها في أنظمة الطباعة التجارية دون فرض تحديات كبيرة على التكامل كما تميل التقنيات البديلة الأخرى إلى القيام به. “

يقوم الباحثون في LLNL حاليًا بتجربة استراتيجيات هندسة أشكال الحزمة الأخرى كجزء من شراكة مستمرة مع GE Global Research ويخططون للتحقيق في مناهج شعاع الليزر المعقدة وتشكيل الاستقطاب من أجل مزيد من التحكم في جودة الأجزاء المطبوعة.

المرجع: “تشكيل الحزمة غير الانكسارية لتحسين التحكم في الحرارة الضوئية في تصنيع المواد المضافة المعدنية” بقلم ثيجاسوي يو تومكور ، وتوماس فويسين ، ورونجبي شي ، وفيليب جيه ديبون ، وتين تي روهلينج ، وشيلدون وو ، ومايكل إف كرامب ، وجون دي رويلنج ، غابي غوس ، سعد أ. خيرالله ، ومنياليبو ج.ماثيوز ، 15 سبتمبر 2021 ، تقدم العلم.
DOI: 10.1126 / sciadv.abg9358

من بين المؤلفين المشاركين في الورقة علماء ومهندسو LLNL توماس فويسين ، رونغبي شي ، فيل ديبون ، تيان روهلينج ، شيلدون وو ، مايكل كرامب ، جون روهلينج ، وغابي جوس. قام برنامج البحث والتطوير الموجه بالمختبر بتمويل العمل.

التعليقات

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *