Прорыв в области лазерной порошковой сварки устраняет многочисленные дефекты для надежной 3D-печати металлом

Инженеры из Университета Висконсин-Мэдисон (UW-Madison) достигли значительного прогресса в аддитивном производстве металлов, одновременно устранив три распространенных дефекта. Этот прорыв, осуществленный под руководством доцента Ляньи Чена и его исследовательской группы, может проложить путь к более широкому внедрению в промышленность лазерной порошковой сварки, известной технологии 3D-печати.

Опубликованное 16 ноября 2024 года в Международном журнале станков и производства, исследование подробно описывает, как группа определила механизмы и оптимизировала условия обработки для устранения дефектов, которые долгое время преследовали 3D-печать по металлу.

«Предыдущие исследования обычно были сосредоточены на уменьшении одного типа дефектов, но для этого потребовалось бы использование других методов для устранения оставшихся типов дефектов», — сказал Чен. «Мы разработали подход, который может устранить все дефекты — поры, грубые поверхности и крупные брызги — сразу. Кроме того, наш подход позволяет нам производить деталь намного быстрее без каких-либо компромиссов в качестве».

Доцент Ляньи Чен и его команда в Университете Висконсин-Мэдисон проводят испытания с кольцевым лазером nLight для улучшения устранения дефектов при 3D-печати металлом. (Автор изображения: Университет Висконсин-Мэдисон)

Преодоление проблем при 3D-печати металлом

Аддитивное производство металлов дает возможность создавать сложные формы, которые невозможно достичь традиционным производством. Это делает его весьма привлекательным для таких отраслей, как аэрокосмическая, медицинская и энергетическая. Однако такие дефекты, как поры (пустоты), шероховатые поверхности и крупные брызги, значительно ограничивают надежность и долговечность металлических деталей, напечатанных на 3D-принтере.

Эти дефекты особенно проблематичны для применений, где отказ детали невозможен. Метод команды UW-Madison не только улучшает качество, но и увеличивает скорость производства, решая две критические проблемы лазерной порошковой плавки.

Роль кольцевого лазерного луча

Прорыв был обусловлен заменой традиционного гауссовского лазерного луча на инновационный кольцевой лазерный луч, предоставленный nLight, ведущей компанией в области лазерных технологий. Эта новая форма луча сыграла решающую роль в снижении нестабильности процесса во время печати.

Исследователи использовали высокоскоростную синхротронную рентгеновскую визуализацию в усовершенствованном источнике фотонов Аргоннской национальной лаборатории для наблюдения за поведением материала во время печати. ​​Объединив эти идеи с теоретическим анализом и численным моделированием, команда определила механизмы, которые уменьшают дефекты и стабилизируют процесс сплавления лазерного порошкового слоя.

Повышенная производительность без ущерба качеству

Кольцевой лазерный луч также обеспечил более глубокое проникновение в материал, не вызывая нестабильности, что позволило команде печатать более толстые слои металла. Эта корректировка значительно повысила производительность производства без ущерба для качества.

«Поскольку мы поняли основные механизмы, мы смогли быстрее определить правильные условия обработки для производства высококачественных деталей с использованием кольцевой балки», — сказал Чэнь.

Такое сочетание устранения дефектов и повышения производительности может трансформировать производство высокопроизводительных металлических деталей, особенно для отраслей, требующих безотказной надежности.

Командная работа и инновации продвигают вперед 3D-печать по металлу

Эта инновационная работа стала возможной благодаря сотрудничеству исследователей из UW-Madison, включая Цилиня Го, Луиса Эскано, Али Набаа и профессора Тима Оссвальда, а также экспертов Сэмюэля Кларка и Камеля Феццаа из Аргоннской национальной лаборатории. При поддержке Национального научного фонда и Исследовательского фонда выпускников Висконсина команда решила критические проблемы в области аддитивного производства металлов.

Одновременно устраняя такие дефекты, как поры, шероховатые поверхности и брызги, исследователи не только повысили качество деталей, но и добились значительного повышения производительности. Это достижение устанавливает новый стандарт надежности и эффективности лазерного порошкового сплава, делая его более жизнеспособным для критически важных приложений в таких отраслях, как аэрокосмическая, медицинская и энергетическая.

Инновационный кольцевой лазерный луч и механизмы устранения дефектов, обнаруженные командой, могут способствовать более широкому промышленному внедрению металлической 3D-печати, улучшая производство высококачественных, безотказных компонентов.

Источник: engineering.wisc.edu