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Un novu mecanismu basatu annantu à a fusione laser selettiva per cuntrullà a microstruttura di i prudutti in u prucessu di fabricazione hè prupostu. U meccanismo si basa in a generazione di onde ultrasoniche d'alta intensità in a piscina fusa per irradiazione laser cumplessa modulata in intensità. Studi sperimentali è simulazioni numeriche mostranu chì stu mecanismu di cuntrollu hè tecnicamente fattibile è pò esse integratu efficacemente in u disignu di macchine di fusione laser muderne.
Additive manufacturing (AM) di parti cumplessu-forma hè crisciutu significativamente in l 'ùrtimi decennii. Tuttavia, malgradu a varietà di prucessi di fabricazione additiva, cumpresi fusione laser selettiva (SLM) 1,2,3, deposition di metallu laser direttu 4,5,6, melting fasciu elettroni 7,8 è altri 9,10, u Parts pò esse a causa di u prucessu di fusione sòlida specifichi di difettu principali sò assuciati à u prucessu di fusione. alti gradienti termichi, alti ritmi di rinfrescamentu, è a cumplessità di i ciculi di riscaldamentu in a fusione è a fusione di u materiale 11, chì portanu à a crescita di granu epitaxial è a porosità significativa.12,13 hà dimustratu chì hè necessariu di cuntrullà i gradienti termali, i tassi di rinfrescante è a cumpusizioni di l'alia, o applicà scosse fisiche supplementari da campi esterni di diverse proprietà, cum'è l'ultrasound, per ottene strutture di granu equiax fine.
Numerose publicazioni sò cuncernate cù l'effettu di u trattamentu di vibrazione nantu à u prucessu di solidificazione in i prucessi di casting cunvinziunali14,15. Tuttavia, l'applicazione di un campu esternu à una fusione in massa ùn pruduce micca a microstruttura di materiale desiderata. Se u voluminu di a fase liquida hè chjuca, a situazione cambia dramaticamente. 3,24,25,26,27, arc stirring28 and oscillation29, effetti elettromagnetici durante l'arcu di plasma pulsatu30,31 è altri metudi32 sò stati cunsiderati. Attaccà à u sustrato utilizendu una fonte di ultrasound d'alta intensità esterna (à 20 kHz). passa per cavitazione.
In questu travagliu, avemu investigatu a pussibilità di alterà a struttura di granu di l'acciai inossidabili austenitici, sonicando a piscina fusa cù onde sonore generate da u laser di fusione stessu. A modulazione di l'intensità di a radiazione laser incidente nantu à u mediu chì assorbe a luce si traduce in a generazione di onde ultrasoniche, chì alteranu a microstruttura di u materiale. In ogni modu, se un tali trattamentu laser hè realizatu nantu à a superficia di ogni strata, durante l'accumulazione strata per strata, l'effetti nantu à u voluminu tutale o in parti selezziunate di u voluminu sò ottenuti. In altre parolle, se a parte di u trattamentu di u laser hè custruita in ogni strata, u trattamentu di a superficia hè equivalente.
Mentre chì in a terapia ultrasonica basata in cornu ultrasonicu, l'energia ultrasonica di l'onda sonora permanente hè distribuita in tuttu u cumpunente, mentre chì l'intensità ultrasonica indotta da laser hè altamente cuncentrata vicinu à u puntu induve a radiazione laser hè assorbita. L'usu di un sonotrode in una macchina di fusione di lettu in polvere SLM hè cumplicatu perchè a superficia superiore di u lettu in polvere esposta à a superficia di u lettu in polvere ùn deve esse esposta à a superficia superiore di a radiazione laser. e, u stress acusticu hè vicinu à cero è a velocità di particella hà una amplitude massima nantu à tutta a superficia superiore di a parte. A pressione di u sonu in tutta a piscina fusa ùn pò micca più di 0.1% di a pressione massima generata da a testa di saldatura, perchè a lunghezza d'onda di l'onda ultrasonica cù una frequenza di 20 kHz in acciaio inox hè \(\sim The depth = 0.3~3\), è u textu hè di solitu 0.3. ~\text {mm}\).Per quessa, l'effettu di l'ultrasound in cavitation pò esse chjucu.
Hè da nutà chì l'usu di a radiazione laser modulata in intensità in a deposizione diretta di metalli laser hè un spaziu attivu di ricerca35,36,37,38.
L'effetti termali di a radiazione laser incidente nantu à u mediu sò a basa di quasi tutti i tecnichi di trasfurmazioni di materiale laser 39, 40, cum'è cutting 41, welding, hardening, drilling 42, cleaning superficia, superficia alloying, lucidatura superficia 43, etc.materials tecnulugia di trasfurmazioni è riassuntu risultati preliminari in parechji recensioni è monografie 445, 44, 46.
Si deve esse nutatu chì ogni azzione non-stazionaria nantu à u mediu, cumpresa l'azzione di lasing nantu à u mediu assorbente, risultati in l'eccitazione di l'onda acustiche in questu cù più o menu efficienza. Inizialmente, l'enfasi principale era nantu à l'eccitazione laser di l'onda in liquidi è i vari meccanismi di eccitazione termale di u sonu (espansione termale, evaporazione, cambiamentu di volume, etc., transizione monografica, 48, 48, 47). 0, 51, 52 furnisce analisi teorichi di stu prucessu è e so pussibuli applicazioni pratiche.
Questi prublemi sò stati successivamente discututi in diverse cunferenze, è l'excitazione laser di l'ultrasound hà appiicazioni in l'applicazioni industriali di a tecnulugia laser53 è in a medicina54. Per quessa, pò esse cunsideratu chì u cuncettu basu di u prucessu da quale a luce laser pulsata agisce nantu à un mediu assorbente hè statu stabilitu.
L'effettu di l'onda di scossa generata da u laser nantu à i materiali hè a basa di u laser shock peening57,58,59, chì hè ancu utilizatu per u trattamentu di a superficia di parti di manufatti additivu60.
L'esperimenti sò stati fatti per investigà l'effetti pussibuli di diversi campi fisichi nantu à a microstruttura di materiali solidificati. U diagramma funzionale di a stallazione sperimentale hè mostratu in Figura 1. Un laser Nd:YAG pulsatu à u statu solidu chì opera in modu liberu (durata di l'impulsu \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\) hè stata utilizata una serie di filtri di impulsi neutrali è divisi da una serie di filtri di impulsi neutrali. Secondu a cumminazzioni di filtri di densità neutra, l'energia di l'impulsu nantu à u target varieghja da \(E_L \sim 20~\text {mJ}\) à \(E_L \sim 100~\text {mJ}\). U fasciu laser riflessu da u splitter di fasciu hè alimentatu à un fotodiode per u tempu d'acquisizione simultanea di dati (1 photodiode è duie calorie di risposta longa cù u tempu d'acquisizione di u testu. }\)) sò usati per determinà l'incidentu è riflessu da u target, è dui metri di putenza (fotodiodi cù tempi di risposta brevi \(<10~\text {ns}\)) per determinà a putenza ottica incidente è riflessa. Calorimetri è misuratori di putenza sò stati calibrati per dà valori in unità assolute usendu un detector di termopila Gentec-EO XLP12-3S-am è montatu in un locu di specchiu di u specchiu à u specchiu. una lente (rivestimentu antiriflessu à \(1,06 \upmu \text {m}\), lunghezza focale \(160~\text {mm}\)) è una cintura di fasciu à a superficia di destinazione 60– \(100~\upmu\text {m}\).
Schema schematicu funziunale di a stallazione sperimentale: 1-laser;2 - fasciu laser;3-filtru di densità neutru;4-fotodiodu sincronizatu;5 - splitter di fasciu;6-diafragma;7-calorimetru di u fasciu incidente;8 - calorimeter di fasciu riflessu;9 - metru di putenza di fasciu incidente;10 - metru di putenza di fasciu riflessu;11 - lente di focu;12 - specchiu;13 - mostra;14 - trasduttore piezoelettricu di banda larga;15 - cunvertitore 2D;16 - microcontroller di pusizzioni;17 - unità di sincronizazione;18 - sistema di acquisizione digitale multicanale cù varii tassi di campionamentu;19 - urdinatore persunale.
U trattamentu ultrasonicu hè realizatu cum'è seguita. U laser opera in modu free-running;per quessa, a durata di l'impulsu laser hè \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\), chì hè custituitu di più durazioni di circa \(1.5~\upmu \text {s} \) ognunu. A forma temporale di l'impulsu laser è u so spettru sò custituiti da una busta di bassa freccia è una modulazione di frequenza alta, cù una modulazione di frequenza media di circa \(0,7 MH) \~. - L'envelope di frequenza furnisce u riscaldamentu è a fusione è l'evaporazione sussegwenti di u materiale, mentre chì u cumpunente d'alta frequenza furnisce vibrazioni ultrasoniche per via di l'effettu fotoacusticu. A forma d'onda di l'impulsu ultrasonicu generatu da u laser hè principalmente determinata da a forma di u tempu di l'intensità di l'impulsu laser.Hè da \(7~\text {kHz}\) à \ (2~\text {MHz}\), è a freccia centrale hè \(~ 0.7~\text {MHz}\). L'impulsi acustici dovuti à l'effettu fotoacusticu sò stati registrati cù trasduttori piezoelettrici a banda larga fatti di film di fluoruru di polivinilidenu. di un laser in modalità free-running.
Distribuzione temporale di l'intensità di l'impulsu laser (a) è a velocità di u sonu (b) nantu à a superficia posteriore di a mostra, i spettri (curva blu) di un impulsu laser unicu (c) è un impulsu ultrasound (d) media più di 300 impulsi laser (curva rossa).
Pudemu distingue chjaramente i cumpunenti di freccia è alta freccia di u trattamentu acusticu chì currispondenu à l'involucramentu di freccia di l'impulsu laser è a modulazione d'alta freccia, rispettivamente. I lunghezze d'onda di l'onde acustiche generate da l'envelope di impulsu laser superanu \(40~\text {cm}\);per quessa, l'effettu principale di i cumpunenti di alta frequenza di banda larga di u signale acusticu hè aspittatu nantu à a microstruttura.
I prucessi fisichi in SLM sò cumplessi è si trovanu simultaneamente in diverse scale spaziali è temporali. Per quessa, i metudi multi-scala sò più adattati per l'analisi teorica di SLM. I mudelli matematichi duveranu inizialmente esse multi-fisichi. A meccanica è a termofisica di un mediu multifase "fusione solidu-liquidu" interagisce cù una carica di gas inerte in l'atmosfera.
Tassi di riscaldamentu è di rinfrescante finu à \(10^6~\text {K}/\text {s}\) /\text{ per via di l'irradiazione laser localizzata cù densità di putenza finu à \(10^{13}~\text {W} cm}^2\).
U ciculu di fusione-solidificazione dura trà 1 è \(10~\text {ms}\), chì cuntribuisce à a solidificazione rapida di a zona di fusione durante u rinfrescante.
U riscaldamentu rapidu di a superficia di a mostra si traduce in a furmazione di elevate tensioni termoelastiche in a superficia. Una parte sufficiente (finu à u 20%) di a capa di polvere hè fortemente evaporata63, chì si traduce in una carica di pressione addiziale nantu à a superficia in risposta à l'ablazione laser. generazione d'onde di strain ultrasonic chì si propaganu da a superficia à u substrate.In ordine per ottene dati quantitativi precisi nantu à u stress lucale è a distribuzione di strain, una simulazione mesoscopica di u prublema di deformazione elastica cunjugata à u calore è u trasferimentu di massa hè realizata.
L'equazioni governanti di u mudellu includenu (1) equazioni di trasferimentu di calore instabili induve a conduttività termale dipende da u statu di fase (polvere, fusione, policristallina) è a temperatura, (2) fluttuazioni in a deformazione elastica dopu l'ablazione continua è l'equazione di espansione termoelastica. U flussu hè definitu basatu annantu à u calculu di a pressione di vapore saturatu di u materiale evaporante. A relazione elastoplastica stress-strain hè aduprata induve u stress termoelasticu hè proporzionale à a diferenza di temperatura.
A figura 3 mostra i risultati di a simulazione numerica di a zona di fusione cù un mudellu matematicu macroscopicu. U diametru di a zona di fusione hè \(200~\upmu \text {m}\) (\(100~\upmu \text {m}\) radius) è \(40~\upmu \text {m}\) prufundità. ) per via di l'elevatu fattore intermittente di a modulazione di l'impulsu. I tassi di riscaldamentu \(V_h\) è di rinfrescamentu \(V_c\) sò in l'ordine di \(10^7\) è \(10^6~\text {K}/\text {s}\), rispettivamente. Questi valori sò in bonu accordu cù a nostra analisi precedente64. , induve a cunduzzione termale à u sustrato hè insufficiente per caccià u calore. Per quessa, à \ (t = 26 ~ \ upmu \ text {s} \ ) a temperatura di a superficia picchi quantu à \ (4800 ~ \ text {K} \). L'evaporazione vigorosa di u materiale pò causà a superficia di mostra per esse sottumessa à pressione eccessiva è scorcia.
I risultati di simulazione numerica di a zona di fusione di l'annealing di impulsu laser unicu nantu à una piastra di mostra 316L. U tempu da u principiu di l'impulsu à a prufundità di a piscina fusa chì ghjunghje à u valore massimu hè \(180~\upmu\text {s}\). L'isoterma \ (T = T_L = 1723~\text {K}\) rapprisenta l'isobara è a fase solida. d stress calculatu cum'è una funzione di a temperatura in a sezzione dopu. Per quessa, in u duminiu trà e duie isoline (isotermi \(T=T_L\) è isobars\(\sigma =\sigma _V(T)\)), a fase solida hè sottumessu à forti carichi meccanichi , chì ponu purtà à cambiamenti in a microstruttura.
Stu effettu hè spiegatu in più in Figura 4a, induve u livellu di pressione in a zona fusa hè tracciata in funzione di u tempu è a distanza da a superficia. Prima, u cumpurtamentu di a pressione hè in relazione cù a modulazione di l'intensità di l'impulsu laser descritta in Figura 2 sopra. caratteristiche cillation cum'è a freccia di \(500~\text {kHz}\). Stu significa chì l'onda di pressione ultrasonica sò generati à a superficia è poi propagate in u sustrato.
E caratteristiche calculate di a zona di deformazione vicinu à a zona di fusione sò mostrate in Fig. 4b. L'ablazione laser è u stress termoelasticu generanu onde di deformazione elastica chì si propaganu in u sustrato. Comu si pò vede da a figura, ci sò duie fasi di generazione di stress. a superficia pressure.This stress a causa di l 'ablation laser, è ùn stress thermoelastic hè statu osservatu in i punti di cuntrollu perchè a zona iniziale affettata da u calore era troppu chjucu. Quandu u calore hè dissipatu in u sustrato, u puntu di cuntrollu genera un altu stress thermoelastic sopra \(40~\text {MPa}\).
I livelli di stress modulati ottenuti anu un impattu significativu nantu à l'interfaccia solidu-liquidu è ponu esse u mecanismu di cuntrollu chì guverna a strada di solidificazione. A dimensione di a zona di deformazione hè 2 à 3 volte più grande di quella di a zona di fusione. 300 è \(800~\upmu \text {m}\) secondu u tempu istantaneu.
Dunque, a modulazione cumplessa di l'annealing laser pulsatu porta à l'effettu ultrasonicu. U percorsu di selezzione di a microstruttura hè diversu se paragunatu à u SLM senza carica ultrasonica. E regioni inestabile deformate portanu à cicli periodichi di compressione è stretching in a fase solida. ty à disignà un prototype SLM guidatu da ultrasound-driven di modulazione di impulsu.
(a) Pressione in funzione di u tempu, calculata à distanze diverse da a superficia 0, 20 è \(40~\upmu \text {m}\) longu à l'assi di simmetria. (b) Stress Von Mises dipendente da u tempu calculata in una matrice solida à distanze 70, 120 è \(170~\upmu \text {m}\) da a superficia campionaria {m}\).
L'esperimenti sò stati fatti nantu à piastre d'acciaio inox AISI 321H cù dimensioni \(20\times 20\times 5~\text {mm}\).Dopu à ogni impulsu laser, a piastra si move \(50~\upmu \text {m}\), è a cintura di u fasciu laser nantu à a superficia di destinazione hè di circa \(100~\upmu\text {mm}\). remelting di u materiale trasfurmatu per u raffinamentu di granu.In tutti i casi, a zona remelted hè stata sonicata, secondu u cumpunente oscillatory di a radiazione laser.Questu risultati in una riduzzione di più di 5 volte in l'area media di granu.Figura 5 mostra cumu a microstruttura di a regione fusa laser cambia cù u nùmeru di ciculi di remelting successivi (passes).
Subplots (a,d,g,j) è (b,e,h,k) - microstruttura di regioni fuse laser, subplots (c,f,i,l) - distribuzione di l'area di grani culurati.Shading rapprisenta i particeddi utilizati per calculà l'histogram.Colors currispondenu à e regioni di granu (vede a barra di culore à a cima di l'histogram. Subplots (ac) currispondenu à l'acciaio inox senza trattatu, è i subplots (df), (gi), (jl) currispondenu à 1, 3 è 5 remelts.
Siccomu l'energia di l'impulsu laser ùn cambia micca trà i passaggi successivi, a prufundità di a zona di fusione hè a stessa. Cusì, u canali sussegwente "copre" completamente u precedente. Tuttavia, l'istogramma mostra chì l'area di granu media è mediana diminuite cù u numeru crescente di passaggi. Questu pò indicà chì u laser agisce nantu à u sustrato piuttostu cà u funnu.
A raffinazione di granu pò esse causata da un rapidu rinfrescante di u pool65. Un altru gruppu di esperimenti hè statu realizatu in quale e superfici di platti d'acciaio inox (321H è 316L) sò stati esposti à a radiazione laser d'onda cuntinuu in l'atmosfera (Fig. 6) è vacuum (Fig. 7). Modu free-running.In ogni casu, una struttura tipica di colonna hè stata osservata.
Microstruttura di a regione di fusione laser di un laser à onda continua (300 W di putenza constante, 200 mm/s di velocità di scansione, acciaio inox AISI 321H).
(a) Microstruttura è (b) immagine di diffrazione di retrodiffusione di l'elettroni di a zona di fusione laser di u laser d'onda continua di vacuum (potenza constante 100 W, velocità di scansione 200 mm/s, acciaio inox AISI 316L) \ (\sim 2~\text {mbar}\).
Per quessa, hè chjaramente dimustratu chì a modulazione cumplessa di l'intensità di l'impulsu laser hà un effettu significativu nantu à a microstruttura resultanti. Cridemu chì questu effettu hè di natura meccanica è si trova per via di a generazione di vibrazioni ultrasoniche chì si propaganu da a superficia irradiata di a fusione in profonda in a mostra. cumpresi lega Ti-6Al-4V 26 è acciaio inox 34 u risultatu di. U mekanismu pussibule hè speculatu cum'è seguitu. Ultrasound intensu pò causà cavitazione acustica, cum'è dimustratu in ultrafast in situ synchrotron X-ray imaging. U colapsu di e bolle di cavitazione à u turnu genera onde di scossa in u materiale fusu, chì a so onda di scossa di fronte pò esse \ (190 ~ 190) abbastanza forte per prumove a furmazione di nuclei in fase solida di dimensione critica in liquidi in massa, disturbendu a struttura tipica di granu colonnare di a fabricazione additiva strata per strata.
Quì, prupunemu un altru mecanismu rispunsevuli di a mudificazione strutturale per una sonicazione intensa. U materiale ghjustu dopu à a solidificazione hè à una temperatura alta vicinu à u puntu di fusione è hà un stress di rendiment estremamente bassu. , Per pruvà l'ipotesi, avemu fattu simulazioni di dinamica moleculare (MD) di una cumpusizioni Fe-Cr-Ni simili à l'acciaio AISI 316 L per evaluà u cumpurtamentu di u stress di rendiment vicinu à u puntu di fusione. I simulazioni 4.MD sò stati realizati cù i codici LAMMPS 75,76.I dettagli di a simulazione MD seranu publicati in altrò. I risultati di u calculu MD di u stress di rendimentu in funzione di a temperatura sò mostrati in Fig.
Stress di snervatura per l'acciaio inossidabile austeniticu AISI 316 è a cumpusizioni di u mudellu versus a temperatura per simulazioni MD. Misurazioni sperimentali da riferimenti: (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81. riferite à. (f) 82 hè un mudellu empirico di misurazione di tensione di snervamentu additivata di a tensione di manufacturing in linea di dipendenza da u laser. .I risultati di simulazione MD à grande scala in stu studiu sò denotati cum'è \(\vartriangleleft\) per un cristallu unicu infinitu senza difetti è \(\vartriangleright\) per i grani finiti piglià in contu u granu di granu mediu via a relazione Hall-Petch Dimensions\(d = 50~\upmu \text {m}\).
Pò esse vistu chì in \(T>1500~\text {K}\) u sforzu di rendiment scende sottu à \(40~\text {MPa}\). Da l'altra banda, stimi predice chì l'amplitude ultrasonica generata da laser supera \(40~\text {MPa}\) (vede Fig. 4b), chì hè abbastanza per induce u flussu solidu solidu di materiale caldu.
A furmazione di microstruttura di l'acciaio inossidabile austeniticu 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) durante SLM hè stata investigata sperimentalmente utilizendu una fonte laser pulsata modulata in intensità cumplessa.
A riduzzione di granu di granu in a zona di fusione di u laser hè stata truvata per via di una remelting laser cuntinuu dopu à 1, 3 o 5 passaggi.
U mudellu macroscopicu mostra chì a dimensione stimata di a regione induve a deformazione ultrasonica pò influenzà positivamente u front di solidificazione hè finu à \(1~\text {mm}\).
U mudellu MD microscopicu mostra chì a forza di snervamentu di l'acciaio inox austeniticu AISI 316 hè significativamente ridutta à \(40~\text {MPa}\) vicinu à u puntu di fusione.
I risultati ottenuti suggerenu un metudu per cuntrullà a microstruttura di i materiali cù un processu laser modulatu cumplessu è puderia serve cum'è a basa per creà novi mudificazioni di a tecnica SLM pulsata.
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