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Hè prupostu un novu mecanismu basatu annantu à a fusione laser selettiva per cuntrullà a microstruttura di i prudutti in u prucessu di fabricazione. U mecanismu si basa nantu à a generazione d'onde ultrasoniche d'alta intensità in u bagnu fusu per irradiazione laser à intensità modulata cumplessa. Studi sperimentali è simulazioni numeriche mostranu chì questu mecanismu di cuntrollu hè tecnicamente fattibile è pò esse integratu efficacemente in a cuncepzione di e macchine muderne di fusione laser selettiva.
A fabricazione additiva (AM) di pezzi di forma cumplessa hè cresciuta significativamente in l'ultimi decennii. Tuttavia, malgradu a varietà di prucessi di fabricazione additiva, cumprese a fusione laser selettiva (SLM)1,2,3, a deposizione diretta di metalli laser4,5,6, a fusione à fasciu di elettroni7,8 è altri9,10, i pezzi ponu esse difettosi. Questu hè principalmente duvutu à e caratteristiche specifiche di u prucessu di solidificazione in piscina fusa assuciati à gradienti termichi elevati, velocità di raffreddamentu elevate è a cumplessità di i cicli di riscaldamentu in a fusione è a rifusione di u materiale 11, chì portanu à una crescita di i grani epitassiali è à una porosità significativa. 12,13 hà dimustratu chì hè necessariu cuntrullà i gradienti termichi, e velocità di raffreddamentu è a cumpusizione di a lega, o applicà scosse fisiche supplementari da campi esterni di varie proprietà, cum'è l'ultrasoni, per ottene strutture di grani equiassiali fini.
Numerose publicazioni si occupanu di l'effettu di u trattamentu di vibrazione nantu à u prucessu di solidificazione in i prucessi di fusione cunvinziunali14,15. Tuttavia, l'applicazione di un campu esternu à una fusione in massa ùn produce micca a microstruttura di u materiale desiderata. Se u vulume di a fase liquida hè chjucu, a situazione cambia dramaticamente. In questu casu, u campu esternu influenza significativamente u prucessu di solidificazione. Campi sonori intensi16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27, agitazione à arcu28 è oscillazione29, effetti elettromagnetichi durante archi di plasma pulsati30,31 è altri metudi32 sò stati cunsiderati. Attaccà à u sustratu utilizendu una fonte di ultrasoni esterna à alta intensità (à 20 kHz). A raffinazione di u granu indotta da l'ultrasoni hè attribuita à l'aumentu di a zona di sottoraffreddamentu custitutivu per via di u gradiente di temperatura riduttu è di u miglioramentu di l'ultrasoni per generà novi cristalliti per via di a cavitazione.
In questu travagliu, avemu investigatu a pussibilità di alterà a struttura di u granu di l'acciai inossidabili austenitici sonicendu u bagnu fusu 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 provoca a generazione di onde ultrasoniche, chì alteranu a microstruttura di u materiale. Questa modulazione di l'intensità di a radiazione laser pò esse facilmente integrata in e stampanti 3D SLM esistenti. L'esperimenti in questu travagliu sò stati realizati nantu à piastre d'acciaio inossidabile chì e so superfici sò state esposte à radiazioni laser modulate da intensità. Dunque, tecnicamente, si face un trattamentu di a superficia laser. Tuttavia, se un tale trattamentu laser hè realizatu nantu à a superficia di ogni stratu, durante a custruzzione stratu per stratu, si ottenenu effetti nantu à tuttu u vulume o nantu à parti selezziunate di u vulume. In altre parole, se a parte hè custruita stratu per stratu, u trattamentu di a superficia laser di ogni stratu hè equivalente à u "trattamentu di u vulume laser".
Mentre chì in a terapia ultrasonica basata nantu à u cornu ultrasonicu, l'energia ultrasonica di l'onda sonora stazionaria hè distribuita in tuttu u cumpunente, mentre chì l'intensità ultrasonica indotta da u laser hè assai cuncintrata vicinu à u puntu induve a radiazione laser hè assorbita. L'usu di un sonotrodu in una macchina di fusione à lettu di polvere SLM hè cumplicatu perchè a superficia superiore di u lettu di polvere esposta à a radiazione laser deve rimanere stazionaria. Inoltre, ùn ci hè micca stress meccanicu nantu à a superficia superiore di a parte. Dunque, u stress acusticu hè vicinu à zeru è a velocità di e particelle hà una ampiezza massima nantu à tutta a superficia superiore di a parte. A pressione sonora in tuttu u bagnu fusu ùn pò micca superà u 0,1% di a pressione massima generata da a testa di saldatura, perchè a lunghezza d'onda di l'onde ultrasoniche cù una frequenza di 20 kHz in acciaio inox hè \(\sim 0.3~\text {m}\), è a prufundità hè di solitu inferiore à \(\sim 0.3~\text {mm}\). Dunque, l'effettu di l'ultrasoni nantu à a cavitazione pò esse chjucu.
Ci vole à nutà chì l'usu di a radiazione laser à intensità modulata in a deposizione diretta di metalli laser hè un duminiu attivu di ricerca35,36,37,38.
L'effetti termichi di a radiazione laser incidente nantu à u mediu sò a basa di guasi tutte e tecniche laser di trasfurmazione di materiali 39, 40, cum'è u tagliu 41, a saldatura, l'indurimentu, a perforazione 42, a pulizia di a superficia, a lega di a superficia, a lucidatura di a superficia 43, ecc. Tecnulugia di trasfurmazione di materiali è risultati preliminari riassunti in numerose recensioni è monografie 44, 45, 46.
Ci vole à nutà chì ogni azzione non stazionaria nantu à u mediu, cumprese l'azione laser nantu à u mediu assorbente, provoca l'eccitazione di onde acustiche in questu cù più o menu efficienza. Inizialmente, l'attenzione principale era nantu à l'eccitazione laser di l'onde in i liquidi è i vari meccanismi di eccitazione termica di u sonu (espansione termica, evaporazione, cambiamentu di vulume durante a transizione di fase, cuntrazione, ecc.) 47, 48, 49. Numerose monografie 50, 51, 52 furniscenu analisi teoriche di stu prucessu è di e so pussibili applicazioni pratiche.
Sti prublemi sò stati dopu discussi in diverse cunferenze, è l'eccitazione laser di l'ultrasoni hà applicazioni sia in l'applicazioni industriali di a tecnulugia laser53 sia in a medicina54. Dunque, si pò cunsiderà chì u cuncettu basicu di u prucessu per u quale a luce laser pulsata agisce nantu à un mezu assorbente hè statu stabilitu. L'ispezione ultrasonica laser hè aduprata per a rilevazione di difetti di campioni fabbricati da SLM55,56.
L'effettu di l'onde d'urto generate da u laser nantu à i materiali hè a basa di a pallinatura laser57,58,59, chì hè ancu aduprata per u trattamentu superficiale di pezzi fabbricati additivamente60. Tuttavia, u rinfurzamentu di l'urto laser hè più efficace nantu à l'impulsi laser di nanosecondi è e superfici caricate meccanicamente (per esempiu, cù un stratu di liquidu)59 perchè u caricu meccanicu aumenta a pressione di piccu.
Esperimenti sò stati realizati per investigà i pussibuli effetti di diversi campi fisichi nantu à a microstruttura di materiali solidificati. U diagramma funzionale di a cunfigurazione sperimentale hè mostratu in a Figura 1. Hè statu utilizatu un laser à statu solidu Nd:YAG pulsatu chì funziona in modu di funziunamentu liberu (durata di l'impulsu \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\)). Ogni impulsu laser hè passatu per una seria di filtri di densità neutra è un sistema di piastre divisore di fasciu. Sicondu a cumbinazione di filtri di densità neutra, l'energia di l'impulsu nantu à u bersagliu varia da \(E_L \sim 20~\text {mJ}\) à \(E_L \sim 100~\text {mJ}\). U fasciu laser riflessu da u divisore di fasciu hè alimentatu à un fotodiodu per l'acquisizione simultanea di dati, è dui calorimetri (fotodiodi cù un tempu di risposta longu superiore à \(1~\text {ms}\)) sò aduprati per determinà l'incidente è u riflessu da u bersagliu, è dui misuratori di putenza (fotodiodi cù risposta corta volte\(<10~\text {ns}\)) per determinà a putenza ottica incidente è riflessa. I calorimetri è i misuratori di putenza sò stati calibrati per dà valori in unità assolute utilizendu un rilevatore di termopila Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0 è un specchiu dielettricu muntatu in a pusizione di u campione. Focalizà u fasciu nantu à u bersagliu utilizendu una lente (rivestimentu antiriflessu à \(1.06 \upmu \text {m}\), lunghezza focale \(160~\text {mm}\)) è una cintura di fasciu à a superficia di u bersagliu 60– \(100~\upmu\text {m}\).
Schema funzionale di a cunfigurazione sperimentale: 1—laser; 2—fasciu laser; 3—filtru di densità neutra; 4—fotodiodu sincronizatu; 5—divisore di fasciu; 6—diaframma; 7—calorimetru di u fasciu incidente; 8–calorimetru di u fasciu riflessu; 9–misuratore di putenza di u fasciu incidente; 10–misuratore di putenza di u fasciu riflessu; 11–lente di focalizzazione; 12–specchiu; 13–campione; 14–trasduttore piezoelettricu à banda larga; 15–convertitore 2D; 16–microcontrollore di pusizionamentu; 17–unità di sincronizazione; 18–sistema di acquisizione digitale multicanale cù diverse frequenze di campionamentu; 19–urdinatore persunale.
U trattamentu à ultrasoni hè realizatu cum'è seguita. U laser funziona in modu di funziunamentu liberu; dunque a durata di l'impulsu laser hè \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\), chì si compone di parechje durate di circa \(1.5~\upmu \text {s} \) ognuna. A forma temporale di l'impulsu laser è u so spettru sò custituiti da un inviluppu di bassa frequenza è una modulazione di alta frequenza, cù una frequenza media di circa \(0.7~\text {MHz}\), cum'è mostratu in a Figura 2.- L'inviluppu di frequenza furnisce u riscaldamentu è a successiva fusione è evaporazione di u materiale, mentre chì a cumpunente di alta frequenza furnisce e 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 temporale di l'intensità di l'impulsu laser. Hè da \(7~\text {kHz}\) à \(2~\text {MHz}\), è a frequenza centrale hè \(~ 0.7~\text {MHz}\). L'impulsi acustici per via di l'effettu fotoacustico sò stati registrati utilizendu trasduttori piezoelettrici à banda larga fatti di filmi di fluoruru di polivinilidene. A forma d'onda registrata è u so spettru sò mostrati in a Figura 2. Ci vole à nutà chì a forma di l'impulsi laser hè tipica di un laser in modu liberu.
Distribuzione tempurale di l'intensità di l'impulsu laser (a) è di a velocità di u sonu (b) nantu à a superficia posteriore di u campione, i spettri (curva blu) di un unicu impulsu laser (c) è di un impulsu ultrasonicu (d) mediati annantu à 300 impulsi laser (curva rossa).
Pudemu distingue chjaramente i cumpunenti di bassa frequenza è d'alta frequenza di u trattamentu acusticu chì currispondenu rispettivamente à l'inviluppu di bassa frequenza di l'impulsu laser è à a modulazione d'alta frequenza. E lunghezze d'onda di l'onde acustiche generate da l'inviluppu di l'impulsu laser superanu \(40~\text {cm}\); dunque, hè previstu l'effettu principale di i cumpunenti d'alta frequenza à banda larga di u signale acusticu nantu à a microstruttura.
I prucessi fisichi in SLM sò cumplessi è si verificanu simultaneamente à diverse scale spaziali è temporali. Dunque, i metudi multiscala sò i più adatti per l'analisi teorica di SLM. I mudelli matematichi devenu inizialmente esse multifisichi. A meccanica è a termofisica di un mezu multifase "fusione solidu-liquidu" chì interagisce cù una atmosfera di gas inerte ponu tandu esse descritte efficacemente. E caratteristiche di i carichi termichi di i materiali in SLM sò e seguenti.
Velocità di riscaldamentu è di raffreddamentu finu à \(10^6~\text {K}/\text {s}\) /\text{ per via di l'irradiazione laser lucalizzata cù densità di putenza finu à \(10^{13}~\text {W} cm}^2\).
U ciclu di fusione-solidificazione dura trà 1 è \(10~\text {ms}\), ciò chì cuntribuisce à a rapida solidificazione di a zona di fusione durante u raffreddamentu.
U riscaldamentu rapidu di a superficia di u campione provoca a furmazione di tensioni termoelastiche elevate in u stratu superficiale. Una parte sufficiente (finu à u 20%) di u stratu di polvere hè fortemente evaporata63, ciò chì provoca un caricu di pressione supplementu nantu à a superficia in risposta à l'ablazione laser. Di cunsiguenza, a deformazione indotta distorce significativamente a geometria di a parte, in particulare vicinu à i supporti è l'elementi strutturali sottili. L'alta velocità di riscaldamentu in a ricottura laser pulsata provoca a generazione di onde di deformazione ultrasonica chì si propaganu da a superficia à u substratu. Per ottene dati quantitativi accurati nantu à a distribuzione lucale di e tensioni è di e deformazioni, hè realizata una simulazione mesoscopica di u prublema di deformazione elastica cunjugatu à u trasferimentu di calore è di massa.
L'equazioni guvernanti di u mudellu includenu (1) equazioni di trasferimentu di calore instabile induve a cunduttività termica dipende da u statu di fase (polvere, fusione, policristallina) è da a temperatura, (2) fluttuazioni in a deformazione elastica dopu l'ablazione cuntinua è l'equazione di espansione termoelastica. U prublema di u valore limite hè determinatu da e cundizioni sperimentali. U flussu laser modulatu hè definitu nantu à a superficia di u campione. U raffreddamentu cunvettivu include u scambiu di calore conduttivu è u flussu evaporativu. U flussu di massa hè definitu in basa à u calculu di a pressione di vapore saturatu di u materiale evaporante. A relazione stress-strain elastoplastica hè aduprata induve u stress termoelasticu hè proporzionale à a differenza di temperatura. Per a putenza nominale \(300~\text {W}\), a frequenza \(10^5~\text {Hz}\), u cuefficiente intermittente 100 è \(200~\upmu \text {m}\) di u diametru efficace di u fasciu.
A figura 3 mostra i risultati di a simulazione numerica di a zona fusa utilizendu un mudellu matematicu macroscopicu. U diametru di a zona di fusione hè \(200~\upmu \text {m}\) (\(100~\upmu \text {m}\) raghju) è \(40~\upmu \text {m}\) prufundità. I ​​risultati di a simulazione mostranu chì a temperatura di a superficia varieghja lucalmente cù u tempu cum'è \(100~\text {K}\) per via di l'altu fattore intermittente di a modulazione di l'impulsi. I tassi di riscaldamentu \(V_h\) è di raffreddamentu \(V_c\) sò di l'ordine di \(10^7\) è \(10^6~\text {K}/\text {s}\), rispettivamente. Questi valori sò in bon accordu cù a nostra analisi precedente64. Una differenza di ordine di grandezza trà \(V_h\) è \(V_c\) provoca un rapidu surriscaldamentu di u stratu superficiale, induve a conduzione termica à u substratu hè insufficiente per rimuovere u calore. Dunque, à \(t=26~\upmu \text {s}\) a temperatura di a superficia righjunghje i picchi finu à \(4800~\text {K}\). L'evaporazione vigorosa di u materiale pò fà chì a superficia di u campione sia sottumessa à una pressione eccessiva è si stacchi.
Risultati di simulazione numerica di a zona di fusione di a ricottura à impulsu laser unicu nantu à una piastra di campione 316L. U tempu da l'iniziu di l'impulsu à a prufundità di u bagnu fusu chì righjunghje u valore massimu hè \(180 ~ \upmu \text {s} \). L'isoterma \(T = T_L = 1723 ~ \text {K} \) rapprisenta u cunfine trà e fasi liquida è solida. L'isobare (linee gialle) currispondenu à a tensione di snervamentu calculata in funzione di a temperatura in a prossima sezione. Dunque, in u duminiu trà e duie isolinee (isoterme \(T = T_L \) è isobare \(\sigma = \sigma _V(T) \)), a fase solida hè sottumessa à forti carichi meccanichi, chì ponu purtà à cambiamenti in a microstruttura.
Questu effettu hè spiegatu più in dettagliu in a Figura 4a, induve u livellu di pressione in a zona fusa hè tracciatu cum'è una funzione di u tempu è di a distanza da a superficia. Prima, u cumpurtamentu di a pressione hè ligatu à a modulazione di l'intensità di l'impulsu laser descritta in a Figura 2 sopra. Una pressione massima \text{s}\) di circa \(10~\text {MPa}\) hè stata osservata à circa \(t=26~\upmu). Siconda, a fluttuazione di a pressione lucale à u puntu di cuntrollu hà e stesse caratteristiche d'oscillazione cum'è a frequenza di \(500~\text {kHz}\). Questu significa chì l'onde di pressione ultrasonica sò generate à a superficia è dopu si propaganu in u sustratu.
E caratteristiche calculate di a zona di deformazione vicinu à a zona di fusione sò mostrate in a Fig. 4b. L'ablazione laser è a tensione termoelastica generanu onde di deformazione elastica chì si propaganu in u sustratu. Cum'è si pò vede da a figura, ci sò duie fasi di generazione di tensione. Durante a prima fase di \(t < 40~\upmu \text {s}\), a tensione di Mises aumenta à \(8~\text {MPa}\) cù una modulazione simile à a pressione superficiale. Questa tensione si verifica per via di l'ablazione laser, è nisuna tensione termoelastica hè stata osservata in i punti di cuntrollu perchè a zona iniziale affettata da u calore era troppu chjuca. Quandu u calore hè dissipatu in u sustratu, u puntu di cuntrollu genera una alta tensione termoelastica 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 u percorsu di solidificazione. A dimensione di a zona di deformazione hè da 2 à 3 volte più grande di quella di a zona di fusione. Cum'è mostratu in a Figura 3, a situazione di l'isoterma di fusione è u livellu di stress uguale à a tensione di cedimentu sò paragunati. Questu significa chì l'irradiazione laser pulsata furnisce carichi meccanichi elevati in zone lucalizzate cù un diametru efficace trà 300 è \(800~\upmu \text {m}\) secondu u tempu istantaneu.
Dunque, a modulazione cumplessa di a ricottura laser pulsata porta à l'effettu ultrasonicu. A via di selezzione di a microstruttura hè diversa se paragunata à u SLM senza carica ultrasonica. E regioni instabili deformate portanu à cicli periodichi di compressione è allungamentu in a fase solida. Cusì, a furmazione di novi limiti di granu è limiti di sottogranu diventa fattibile. Dunque, e proprietà microstrutturali ponu esse cambiate intenzionalmente, cum'è mostratu quì sottu. E cunclusioni ottenute furniscenu a pussibilità di cuncepisce un prototipu SLM guidatu da ultrasoni indotti da modulazione di impulsi. In questu casu, l'induttore piezoelettricu 26 utilizatu in altrò pò esse esclusu.
(a) Pressione in funzione di u tempu, calculata à diverse distanze da a superficia 0, 20 è \(40~\upmu \text {m}\) longu l'asse di simmetria. (b) Tensione di Von Mises dipendente da u tempu calculata in una matrice solida à distanze 70, 120 è \(170~\upmu \text {m}\) da a superficia di u campione.
L'esperimenti sò stati realizati nantu à piastre d'acciaio inox AISI 321H cù dimensioni \(20\times 20\times 5~\text {mm}\). Dopu ogni impulsu laser, a piastra si move \(50~\upmu \text {m}\), è a cintura di u fasciu laser nantu à a superficia di u bersagliu hè di circa \(100~\upmu \text {m}\). Finu à cinque passaggi successivi di u fasciu sò realizati longu a listessa pista per induce a rifusione di u materiale trasfurmatu per l'affinamentu di i grani. In tutti i casi, a zona rifusa hè stata sonicata, secondu a cumpunente oscillatoria di a radiazione laser. Questu si traduce in una riduzione di più di 5 volte di l'area media di i grani. A Figura 5 mostra cumu a microstruttura di a regione fusa da laser cambia cù u numeru di cicli di rifusione successivi (passaggi).
Sottutrame (a, d, g, j) è (b, e, h, k) - microstruttura di e regioni fuse à laser, sottotrame (c, f, i, l) - distribuzione di l'area di i grani culurati. L'ombreggiatura rapprisenta e particelle aduprate per calculà l'istogramma. I culori currispondenu à e regioni di i grani (vede a barra di culori in cima à l'istogramma. I sottotrame (ac) currispondenu à l'acciaiu inox micca trattatu, è i sottotrame (df), (gi), (jl) currispondenu à 1, 3 è 5 rifusioni.
Siccomu l'energia di l'impulsu laser ùn cambia micca trà i passaggi successivi, a prufundità di a zona fusa hè a listessa. Cusì, u canale successivu "copre" cumpletamente quellu precedente. Tuttavia, l'istogramma mostra chì l'area media è mediana di i grani diminuisce cù l'aumentu di u numeru di passaggi. Questu pò indicà chì u laser agisce nantu à u sustratu piuttostu chè nantu à a fusione.
L'affinazione di u granu pò esse causata da un raffreddamentu rapidu di u bagnu fusu65. Un'altra serie di esperimenti hè stata realizata in quale e superfici di piastre d'acciaio inox (321H è 316L) sò state esposte à a radiazione laser à onda cuntinua in atmosfera (Fig. 6) è in u vacuum (Fig. 7). A putenza media di u laser (300 W è 100 W, rispettivamente) è a prufundità di u bagnu fusu sò vicine à i risultati sperimentali di u laser Nd:YAG in modalità di funziunamentu liberu. Tuttavia, hè stata osservata una struttura colonnare tipica.
Microstruttura di a regione fusa à laser di un laser à onda cuntinua (putenza costante di 300 W, velocità di scansione di 200 mm/s, acciaio inox AISI 321H).
(a) Microstruttura è (b) imagine di diffrazione di retrodiffusione elettronica di a zona di fusione laser di laser à onda cuntinua in u vacuum (putenza costante 100 W, velocità di scansione 200 mm/s, acciaio inox AISI 316L) \ (\sim 2~\text {mbar }\).
Dunque, hè chjaramente dimustratu chì a modulazione cumplessa di l'intensità di l'impulsu laser hà un effettu significativu nantu à a microstruttura risultante. Credemu chì questu effettu hè di natura meccanica è si verifica per via di a generazione di vibrazioni ultrasoniche chì si propaganu da a superficia irradiata di a fusione in prufundità in u campione. Risultati simili sò stati ottenuti in 13, 26, 34, 66, 67 utilizendu trasduttori piezoelettrici esterni è sonotrodi chì furniscenu ultrasoni d'alta intensità in vari materiali, cumpresi a lega Ti-6Al-4V 26 è l'acciaio inox 34, u risultatu di. U pussibule mecanismu hè speculatu cusì. L'ultrasoni intensi ponu causà cavitazione acustica, cum'è dimustratu in l'imaghjini à raggi X di sincrotrone in situ ultraveloce. U colapsu di e bolle di cavitazione à u so tornu genera onde d'urto in u materiale fusu, chì a pressione frontale righjunghje circa \(100~\text {MPa}\)69. Tali onde d'urto ponu esse abbastanza forti per prumove a furmazione di nuclei di fase solida di dimensioni critiche in liquidi in massa, interrompendu a tipica struttura di grani culunnari di fabricazione additiva stratu per stratu.
Quì, pruponemu un altru mecanismu rispunsevule di a mudificazione strutturale per sonicazione intensa. U materiale ghjustu dopu a solidificazione hè à una temperatura alta vicinu à u puntu di fusione è hà una tensione di cedimentu estremamente bassa. L'onde ultrasoniche intense ponu fà chì u flussu plasticu alteri a struttura di u granu di u materiale caldu appena solidificatu. Tuttavia, dati sperimentali affidabili nantu à a dipendenza da a temperatura di a tensione di cedimentu sò dispunibili à \(T\lesssim 1150~\text {K}\) (vede Figura 8). Dunque, per pruvà l'ipotesi, avemu realizatu simulazioni di dinamica moleculare (MD) di una cumpusizione Fe-Cr-Ni simile à l'acciaio AISI 316 L per valutà u cumpurtamentu di a tensione di cedimentu vicinu à u puntu di fusione. Per calculà a tensione di cedimentu, avemu utilizatu a tecnica di rilassamentu di a tensione di taglio MD dettagliata in 70, 71, 72, 73. Per i calculi di l'interazzione interatomica, avemu utilizatu u Modellu Atomicu Incorporatu (EAM) da 74. E simulazioni MD sò state realizate utilizendu i codici LAMMPS 75,76. I dettagli di a simulazione MD saranu publicati in altrò. I risultati di u calculu MD di a tensione di cedimentu in funzione di A temperatura hè mostrata in a Fig. 8 inseme cù i dati sperimentali dispunibili è altre valutazioni77,78,79,80,81,82.
Tensione di snervamentu per l'acciaio inox austenitico di qualità AISI 316 è cumpusizione di u mudellu in funzione di a temperatura per e simulazioni MD. Misurazioni sperimentali da e referenze: (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81. Riferitevi à. (f)82 hè un mudellu empiricu di dipendenza da a tensione di snervamentu-temperatura per a misurazione di a tensione in linea durante a fabricazione additiva assistita da laser. I risultati di a simulazione MD à grande scala in questu studiu sò indicati cum'è \(\vartriangleleft\) per un monocristallu infinitu senza difetti è \(\vartriangleright\) per i grani finiti tenendu contu di a dimensione media di i grani via a relazione Hall-Petch Dimensioni \(d = 50~\upmu \text {m}\).
Si pò vede chì à \(T>1500~\text {K}\) a tensione di cedimentu scende sottu à \(40~\text {MPa}\). D’altronde, e stime prevedenu chì l’ampiezza ultrasonica generata da u laser supera \(40~\text {MPa}\) (vede Fig. 4b), chì hè sufficiente per induce u flussu di plastica in u materiale caldu appena solidificatu.
A furmazione di a microstruttura di l'acciaiu inox austeniticu 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) durante u SLM hè stata studiata sperimentalmente utilizendu una fonte laser pulsata à intensità modulata cumplessa.
Una riduzione di a dimensione di i grani in a zona di fusione à laser hè stata trovata per via di a rifusione cuntinua à laser dopu à 1, 3 o 5 passate.
A modelizazione macroscopica mostra chì a dimensione stimata di a regione induve a deformazione ultrasonica pò influenzà pusitivamente u fronte di solidificazione hè finu à \(1~\text {mm}\).
U mudellu MD microscopicu mostra chì a resistenza à a snervazione di l'acciaiu 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 utilizendu un trattamentu laser modulatu cumplessu è puderia serve cum'è basa per creà nuove mudificazioni di a tecnica SLM pulsata.
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