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Viene proposto un nuovo meccanismo basato sulla fusione laser selettiva per controllare la microstruttura dei prodotti nel processo di fabbricazione. Il meccanismo si basa sulla generazione di onde ultrasoniche ad alta intensità nel bagno fuso mediante una complessa irradiazione laser a intensità modulata. Studi sperimentali e simulazioni numeriche dimostrano che questo meccanismo di controllo è tecnicamente fattibile e può essere efficacemente integrato nella progettazione delle moderne macchine per fusione laser selettiva.
La produzione additiva (AM) di parti di forma complessa è cresciuta significativamente negli ultimi decenni. Tuttavia, nonostante la varietà di processi di produzione additiva, tra cui la fusione laser selettiva (SLM)1,2,3, la deposizione laser diretta di metalli4,5,6, la fusione a fascio di elettroni7,8 e altri9,10, le parti potrebbero essere difettose. Ciò è dovuto principalmente alle caratteristiche specifiche del processo di solidificazione del bagno fuso associato ad elevati gradienti termici, elevate velocità di raffreddamento e alla complessità dei cicli di riscaldamento nella fusione e rifusione del materiale11, che portano alla crescita del grano epitassiale e a una porosità significativa.12,13 hanno dimostrato che è necessario controllare i gradienti termici, le velocità di raffreddamento e la composizione della lega, oppure applicare ulteriori shock fisici mediante campi esterni di varie proprietà, come gli ultrasuoni, per ottenere strutture di grano equiassico fine.
Numerose pubblicazioni riguardano l'effetto del trattamento vibrazionale sul processo di solidificazione nei processi di fusione convenzionali14,15. Tuttavia, l'applicazione di un campo esterno a una massa fusa non produce la microstruttura del materiale desiderata. Se il volume della fase liquida è piccolo, la situazione cambia drasticamente. In questo caso, il campo esterno influisce significativamente sul processo di solidificazione. Sono stati presi in considerazione campi sonori intensi16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27, agitazione ad arco28 e oscillazione29, effetti elettromagnetici durante archi al plasma pulsati30,31 e altri metodi32. Fissare al substrato utilizzando una sorgente esterna di ultrasuoni ad alta intensità (a 20 kHz). L'affinamento del grano indotto dagli ultrasuoni è attribuito all'aumento della zona di sottoraffreddamento costitutiva dovuto al gradiente di temperatura ridotto e al potenziamento degli ultrasuoni per generare nuovi cristalliti tramite cavitazione.
In questo lavoro, abbiamo studiato la possibilità di alterare la struttura granulare degli acciai inossidabili austenitici mediante sonicazione del bagno fuso con onde sonore generate dal laser di fusione stesso. La modulazione di intensità della radiazione laser incidente sul mezzo fotoassorbente genera onde ultrasoniche, che alterano la microstruttura del materiale. Questa modulazione di intensità della radiazione laser può essere facilmente integrata nelle stampanti 3D SLM esistenti. Gli esperimenti in questo lavoro sono stati eseguiti su piastre di acciaio inossidabile le cui superfici erano esposte a radiazioni laser a intensità modulata. Quindi, tecnicamente, viene eseguito un trattamento superficiale laser. Tuttavia, se tale trattamento laser viene eseguito sulla superficie di ciascun strato, durante la costruzione strato per strato, si ottengono effetti sull'intero volume o su parti selezionate del volume. In altre parole, se il pezzo viene costruito strato per strato, il trattamento superficiale laser di ciascun strato equivale a un "trattamento del volume laser".
Mentre nella terapia ultrasonica basata su corno ultrasonico, l'energia ultrasonica dell'onda sonora stazionaria è distribuita in tutto il componente, mentre l'intensità ultrasonica indotta dal laser è altamente concentrata vicino al punto in cui la radiazione laser viene assorbita. L'utilizzo di un sonotrodo in una macchina per fusione a letto di polvere SLM è complicato perché la superficie superiore del letto di polvere esposta alla radiazione laser deve rimanere stazionaria. Inoltre, non c'è stress meccanico sulla superficie superiore del pezzo. Pertanto, lo stress acustico è prossimo allo zero e la velocità delle particelle ha un'ampiezza massima su tutta la superficie superiore del pezzo. La pressione sonora all'interno dell'intero bagno fuso non può superare lo 0,1% della pressione massima generata dalla testa di saldatura, perché la lunghezza d'onda delle onde ultrasoniche con una frequenza di 20 kHz nell'acciaio inossidabile è \(\sim 0,3~\text {m}\), e la profondità è solitamente inferiore a \(\sim 0,3~\text {mm}\). Pertanto, l'effetto degli ultrasuoni sulla cavitazione può essere piccolo.
Va notato che l'uso della radiazione laser a intensità modulata nella deposizione diretta di metalli mediante laser è un'area di ricerca attiva35,36,37,38.
Gli effetti termici della radiazione laser incidente sul mezzo costituiscono la base di quasi tutte le tecniche laser di lavorazione dei materiali 39, 40, quali taglio 41, saldatura, tempra, foratura 42, pulizia superficiale, lega superficiale, lucidatura superficiale 43, ecc., tecnologie di lavorazione dei materiali e risultati preliminari riassunti in numerose revisioni e monografie 44, 45, 46.
È opportuno notare che qualsiasi azione non stazionaria sul mezzo, inclusa l'azione laser sul mezzo assorbente, determina l'eccitazione di onde acustiche in esso con maggiore o minore efficienza. Inizialmente, l'attenzione era rivolta principalmente all'eccitazione laser delle onde nei liquidi e ai vari meccanismi di eccitazione termica del suono (espansione termica, evaporazione, variazione di volume durante la transizione di fase, contrazione, ecc.) 47, 48, 49. Numerose monografie 50, 51, 52 forniscono analisi teoriche di questo processo e delle sue possibili applicazioni pratiche.
Tali questioni sono state successivamente discusse in varie conferenze e l'eccitazione laser degli ultrasuoni trova applicazione sia nelle applicazioni industriali della tecnologia laser53 sia in medicina54. Pertanto, si può ritenere che sia stato stabilito il concetto di base del processo mediante il quale la luce laser pulsata agisce su un mezzo assorbente. L'ispezione laser ultrasonica viene utilizzata per il rilevamento di difetti nei campioni realizzati con SLM55,56.
L'effetto delle onde d'urto generate dal laser sui materiali è alla base della pallinatura laser da shock57,58,59, che viene utilizzata anche per il trattamento superficiale di parti prodotte mediante produzione additiva60. Tuttavia, il rinforzo mediante laser da shock è più efficace su impulsi laser di nanosecondi e superfici caricate meccanicamente (ad esempio, con uno strato di liquido)59 perché il carico meccanico aumenta la pressione di picco.
Sono stati condotti esperimenti per studiare i possibili effetti di vari campi fisici sulla microstruttura di materiali solidificati. Il diagramma funzionale dell'impostazione sperimentale è mostrato in Figura 1. È stato utilizzato un laser a stato solido Nd:YAG pulsato operante in modalità free-running (durata dell'impulso \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\ ))). Ogni impulso laser viene fatto passare attraverso una serie di filtri a densità neutra e un sistema di piastre divisore di fascio. A seconda della combinazione di filtri a densità neutra, l'energia dell'impulso sul bersaglio varia da \(E_L \sim 20~\text {mJ}\) a \(E_L \sim 100~\text {mJ}\). Il raggio laser riflesso dal divisore di fascio viene inviato a un fotodiodo per l'acquisizione simultanea dei dati e due calorimetri (fotodiodi con un tempo di risposta lungo superiore a \(1~\text {ms}\)) vengono utilizzati per determinare l'incidenza e la riflessione dal bersaglio e due misuratori di potenza (fotodiodi con breve tempi di risposta\(<10~\text {ns}\)) per determinare la potenza ottica incidente e riflessa. Calorimetri e misuratori di potenza sono stati calibrati per fornire valori in unità assolute utilizzando un rivelatore a termopila Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0 e uno specchio dielettrico montato nella posizione del campione. Focalizzare il fascio sul bersaglio utilizzando una lente (rivestimento antiriflesso a \(1,06 \upmu \text {m}\), lunghezza focale \(160~\text {mm}\)) e una vita del fascio sulla superficie del bersaglio 60– \(100~\upmu\text {m}\).
Schema funzionale dell'impianto sperimentale: 1—laser; 2—raggio laser; 3—filtro a densità neutra; 4—fotodiodo sincronizzato; 5—divisore di fascio; 6—diaframma; 7—calorimetro del fascio incidente; 8—calorimetro del fascio riflesso; 9—misuratore di potenza del fascio incidente; 10—misuratore di potenza del fascio riflesso; 11—lente di focalizzazione; 12—specchio; 13—campione; 14—trasduttore piezoelettrico a banda larga; 15—convertitore 2D; 16—microcontrollore di posizionamento; 17—unità di sincronizzazione; 18—sistema di acquisizione digitale multicanale con varie frequenze di campionamento; 19—personal computer.
Il trattamento ultrasonico viene eseguito come segue. Il laser funziona in modalità free-running; pertanto la durata dell'impulso laser è \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\), che consiste in più durate di circa \(1,5~\upmu \text {s} \) ciascuna. La forma temporale dell'impulso laser e il suo spettro sono costituiti da un inviluppo a bassa frequenza e da una modulazione ad alta frequenza, con una frequenza media di circa \(0,7~\text {MHz}\), come mostrato nella Figura 2. L'inviluppo di frequenza fornisce il riscaldamento e la successiva fusione ed evaporazione del materiale, mentre la componente ad alta frequenza fornisce le vibrazioni ultrasoniche dovute all'effetto fotoacustico. La forma d'onda dell'impulso ultrasonico generato dal laser è determinata principalmente dalla forma temporale dell'intensità dell'impulso laser. È compresa tra \(7~\text {kHz}\) e \(2~\text {MHz}\) e la frequenza centrale è \(~ 0,7~\text {MHz}\). Gli impulsi acustici dovuti all'effetto fotoacustico sono stati registrati utilizzando trasduttori piezoelettrici a banda larga realizzati in pellicole di fluoruro di polivinilidene. La forma d'onda registrata e il suo spettro sono mostrati nella Figura 2. È opportuno notare che la forma degli impulsi laser è tipica di un laser in modalità free-running.
Distribuzione temporale dell'intensità dell'impulso laser (a) e della velocità del suono (b) sulla superficie posteriore del campione, spettri (curva blu) di un singolo impulso laser (c) e di un impulso ultrasonico (d) mediati su 300 impulsi laser (curva rossa).
Possiamo distinguere chiaramente le componenti a bassa e ad alta frequenza del trattamento acustico, corrispondenti rispettivamente all'inviluppo a bassa frequenza dell'impulso laser e alla modulazione ad alta frequenza. Le lunghezze d'onda delle onde acustiche generate dall'inviluppo dell'impulso laser superano i 40~ cm; pertanto, è previsto l'effetto principale delle componenti ad alta frequenza a banda larga del segnale acustico sulla microstruttura.
I processi fisici nella SLM sono complessi e si verificano simultaneamente su diverse scale spaziali e temporali. Pertanto, i metodi multiscala sono i più adatti per l'analisi teorica della SLM. I modelli matematici dovrebbero inizialmente essere multifisici. La meccanica e la termofisica di un mezzo multifase "fuso solido-liquido" che interagisce con un'atmosfera di gas inerte possono quindi essere descritte efficacemente. Le caratteristiche dei carichi termici dei materiali nella SLM sono le seguenti.
Velocità di riscaldamento e raffreddamento fino a \(10^6~\text {K}/\text {s}\) /\text{ grazie all'irradiazione laser localizzata con densità di potenza fino a \(10^{13}~\text {W} cm}^2\).
Il ciclo di fusione-solidificazione dura tra 1 e \(10~\text {ms}\), il che contribuisce alla rapida solidificazione della zona di fusione durante il raffreddamento.
Il rapido riscaldamento della superficie del campione provoca la formazione di elevate sollecitazioni termoelastiche nello strato superficiale. Una porzione sufficiente (fino al 20%) dello strato di polvere viene fortemente evaporata63, il che determina un ulteriore carico di pressione sulla superficie in risposta all'ablazione laser. Di conseguenza, la deformazione indotta distorce significativamente la geometria del pezzo, soprattutto in prossimità di supporti ed elementi strutturali sottili. L'elevata velocità di riscaldamento nella ricottura laser pulsata provoca la generazione di onde di deformazione ultrasoniche che si propagano dalla superficie al substrato. Per ottenere dati quantitativi accurati sulla distribuzione locale di sollecitazioni e deformazione, viene eseguita una simulazione mesoscopica del problema della deformazione elastica coniugato al trasferimento di calore e massa.
Le equazioni che governano il modello includono (1) equazioni di trasferimento di calore non stazionario in cui la conduttività termica dipende dallo stato di fase (polvere, fusione, policristallino) e dalla temperatura, (2) fluttuazioni nella deformazione elastica dopo l'ablazione del continuo e l'equazione di espansione termoelastica. Il problema del valore al contorno è determinato dalle condizioni sperimentali. Il flusso laser modulato è definito sulla superficie del campione. Il raffreddamento convettivo include lo scambio di calore conduttivo e il flusso evaporativo. Il flusso di massa è definito in base al calcolo della pressione di vapore saturo del materiale in evaporazione. Viene utilizzata la relazione sforzo-deformazione elastoplastica in cui lo sforzo termoelastico è proporzionale alla differenza di temperatura. Per potenza nominale \(300~\text {W}\), frequenza \(10^5~\text {Hz}\), coefficiente intermittente 100 e \(200~\text {m}\ ) del diametro effettivo del fascio.
La figura 3 mostra i risultati della simulazione numerica della zona fusa utilizzando un modello matematico macroscopico. Il diametro della zona di fusione è di \(200~\upmu \text {m}\) (\(100~\upmu \text {m}\) raggio) e \(40~\upmu \text {m}\) profondità. I ​​risultati della simulazione mostrano che la temperatura superficiale varia localmente nel tempo di \(100~\text {K}\) a causa dell'elevato fattore intermittente della modulazione degli impulsi. Le velocità di riscaldamento \(V_h\) e di raffreddamento \(V_c\) sono rispettivamente dell'ordine di \(10^7\) e \(10^6~\text {K}/\text {s}\). Questi valori sono in buon accordo con la nostra precedente analisi64. Una differenza di un ordine di grandezza tra \(V_h\) e \(V_c\) si traduce in un rapido surriscaldamento dello strato superficiale, dove la conduzione termica al substrato è insufficiente per rimuovere il calore. Pertanto, a \(t=26~\upmu \text {s}\) la temperatura superficiale raggiunge picchi pari a \(4800~\text {K}\). Un'evaporazione vigorosa del materiale può sottoporre la superficie del campione a una pressione eccessiva e causarne il distacco.
Risultati della simulazione numerica della zona di fusione della ricottura a impulso laser singolo su piastra campione 316L. Il tempo dall'inizio dell'impulso alla profondità del bagno fuso che raggiunge il valore massimo è \(180~\upmu\text {s}\). L'isoterma\(T = T_L = 1723~\text {K}\) rappresenta il confine tra la fase liquida e quella solida. Le isobare (linee gialle) corrispondono al limite di snervamento calcolato in funzione della temperatura nella sezione successiva. Pertanto, nel dominio tra le due isolinee (isoterme\(T=T_L\) e isobare\(\sigma =\sigma _V(T)\)), la fase solida è soggetta a forti carichi meccanici, che possono portare a cambiamenti nella microstruttura.
Questo effetto è ulteriormente spiegato nella Figura 4a, dove il livello di pressione nella zona fusa è tracciato in funzione del tempo e della distanza dalla superficie. Innanzitutto, l'andamento della pressione è correlato alla modulazione dell'intensità dell'impulso laser descritta nella Figura 2 sopra. Una pressione massima \text{s}\) di circa \(10~\text {MPa}\) è stata osservata a circa \(t=26~\text {mu). In secondo luogo, la fluttuazione della pressione locale nel punto di controllo ha le stesse caratteristiche di oscillazione della frequenza di \(500~\text {kHz}\). Ciò significa che le onde di pressione ultrasoniche vengono generate sulla superficie e quindi si propagano nel substrato.
Le caratteristiche calcolate della zona di deformazione in prossimità della zona di fusione sono illustrate nella Fig. 4b. L'ablazione laser e lo stress termoelastico generano onde di deformazione elastica che si propagano nel substrato. Come si può osservare dalla figura, si verificano due fasi di generazione dello stress. Durante la prima fase di \(t < 40~\upmu \text {s}\), lo stress di Mises aumenta fino a \(8~\text {MPa}\) con una modulazione simile alla pressione superficiale. Questo stress si verifica a causa dell'ablazione laser e non è stato osservato alcun stress termoelastico nei punti di controllo perché la zona iniziale interessata dal calore era troppo piccola. Quando il calore viene dissipato nel substrato, il punto di controllo genera un elevato stress termoelastico superiore a \(40~\text {MPa}\).
I livelli di stress modulati ottenuti hanno un impatto significativo sull'interfaccia solido-liquido e possono costituire il meccanismo di controllo che governa il percorso di solidificazione. La dimensione della zona di deformazione è da 2 a 3 volte maggiore di quella della zona di fusione. Come mostrato nella Figura 3, vengono confrontati la posizione dell'isoterma di fusione e il livello di stress pari al limite di snervamento. Ciò significa che l'irradiazione laser pulsata fornisce elevati carichi meccanici in aree localizzate con un diametro effettivo compreso tra 300 e \(800~\upmu \text {m}\) a seconda del tempo istantaneo.
Pertanto, la complessa modulazione della ricottura laser pulsata porta all'effetto ultrasonico. Il percorso di selezione della microstruttura è diverso rispetto all'SLM senza carico ultrasonico. Le regioni instabili deformate portano a cicli periodici di compressione e allungamento nella fase solida. Pertanto, la formazione di nuovi bordi dei grani e bordi dei sottograni diventa fattibile. Pertanto, le proprietà microstrutturali possono essere modificate intenzionalmente, come mostrato di seguito. Le conclusioni ottenute offrono la possibilità di progettare un prototipo SLM guidato da ultrasuoni indotto dalla modulazione degli impulsi. In questo caso, l'induttore piezoelettrico 26 utilizzato altrove può essere escluso.
(a) Pressione in funzione del tempo, calcolata a diverse distanze dalla superficie 0, 20 e \(40~\upmu \text {m}\) lungo l'asse di simmetria. (b) Stress di Von Mises dipendente dal tempo calcolato in una matrice solida a distanze 70, 120 e \(170~\upmu \text {m}\) dalla superficie del campione.
Sono stati eseguiti esperimenti su piastre in acciaio inossidabile AISI 321H con dimensioni di 20 x 20 x 5 mm. Dopo ogni impulso laser, la piastra si muove di 50 x µm e la lunghezza d'onda del raggio laser sulla superficie bersaglio è di circa 100 x µm. Vengono eseguiti fino a cinque passaggi successivi del raggio lungo lo stesso percorso per indurre la rifusione del materiale lavorato per l'affinamento del grano. In tutti i casi, la zona rifusa è stata sonicata, a seconda della componente oscillatoria della radiazione laser. Ciò si traduce in una riduzione di oltre 5 volte dell'area media del grano. La Figura 5 mostra come la microstruttura della regione fusa al laser cambia con il numero di cicli di rifusione successivi (passaggi).
Sottografici (a, d, g, j) e (b, e, h, k) – microstruttura delle regioni fuse al laser, sottografici (c, f, i, l) – distribuzione dell'area dei grani colorati. L'ombreggiatura rappresenta le particelle utilizzate per calcolare l'istogramma. I colori corrispondono alle regioni dei grani (vedere la barra colorata nella parte superiore dell'istogramma). I sottografici (ac) corrispondono all'acciaio inossidabile non trattato, mentre i sottografici (df), (gi), (jl) corrispondono a 1, 3 e 5 rifusioni.
Poiché l'energia dell'impulso laser non cambia tra i passaggi successivi, la profondità della zona fusa è la stessa. Pertanto, il canale successivo "copre" completamente quello precedente. Tuttavia, l'istogramma mostra che l'area media e mediana del grano diminuisce con l'aumentare del numero di passaggi. Ciò potrebbe indicare che il laser agisce sul substrato anziché sulla massa fusa.
L'affinamento del grano può essere causato dal rapido raffreddamento del bagno fuso65. È stata condotta un'altra serie di esperimenti in cui le superfici di piastre di acciaio inossidabile (321H e 316L) sono state esposte a radiazioni laser a onda continua in atmosfera (Fig. 6) e sotto vuoto (Fig. 7). La potenza media del laser (rispettivamente 300 W e 100 W) e la profondità del bagno fuso sono prossime ai risultati sperimentali del laser Nd:YAG in modalità free-running. Tuttavia, è stata osservata una tipica struttura colonnare.
Microstruttura della regione fusa laser di un laser a onda continua (potenza costante 300 W, velocità di scansione 200 mm/s, acciaio inossidabile AISI 321H).
(a) Microstruttura e (b) immagine di diffrazione della retrodiffusione degli elettroni della zona di fusione laser del laser a onda continua sotto vuoto (potenza costante 100 W, velocità di scansione 200 mm/s, acciaio inossidabile AISI 316L) \ (\sim 2~\text {mbar }\).
Pertanto, è chiaramente dimostrato che la complessa modulazione dell'intensità dell'impulso laser ha un effetto significativo sulla microstruttura risultante. Riteniamo che questo effetto sia di natura meccanica e si verifichi a causa della generazione di vibrazioni ultrasoniche che si propagano dalla superficie irradiata della massa fusa in profondità nel campione. Risultati simili sono stati ottenuti in 13, 26, 34, 66, 67 utilizzando trasduttori piezoelettrici esterni e sonotrodi che forniscono ultrasuoni ad alta intensità in vari materiali tra cui la lega Ti-6Al-4V 26 e l'acciaio inossidabile 34, il risultato di. Il possibile meccanismo è ipotizzato come segue. Gli ultrasuoni intensi possono causare cavitazione acustica, come dimostrato nell'imaging a raggi X di sincrotrone in situ ultraveloce. Il collasso delle bolle di cavitazione a sua volta genera onde d'urto nel materiale fuso, la cui pressione frontale raggiunge circa \(100~\text {MPa}\)69. Tali onde d'urto possono essere abbastanza forti da promuovere la formazione di nuclei di fase solida di dimensioni critiche nei liquidi sfusi, interrompendo la tipica struttura granulare colonnare di produzione additiva strato per strato.
Qui, proponiamo un altro meccanismo responsabile della modifica strutturale mediante sonicazione intensa. Il materiale subito dopo la solidificazione si trova ad una temperatura elevata, prossima al punto di fusione, e presenta un limite di snervamento estremamente basso. Le onde ultrasoniche intense possono causare un flusso plastico che altera la struttura granulare del materiale caldo appena solidificato. Tuttavia, dati sperimentali affidabili sulla dipendenza della temperatura dal limite di snervamento sono disponibili a \(T\lesssim 1150~\text {K}\) (vedere Figura 8). Pertanto, per testare l'ipotesi, abbiamo eseguito simulazioni di dinamica molecolare (MD) di una composizione Fe-Cr-Ni simile all'acciaio AISI 316 L per valutare il comportamento del limite di snervamento in prossimità del punto di fusione. Per calcolare il limite di snervamento, abbiamo utilizzato la tecnica di rilassamento dello sforzo di taglio MD descritta in dettaglio in 70, 71, 72, 73. Per i calcoli dell'interazione interatomica, abbiamo utilizzato il modello atomico incorporato (EAM) da 74. Le simulazioni MD sono state eseguite utilizzando i codici LAMMPS 75, 76. Dettagli del La simulazione MD sarà pubblicata altrove. I risultati del calcolo MD dello stress di snervamento in funzione della temperatura sono mostrati nella Figura 8 insieme ai dati sperimentali disponibili e ad altre valutazioni77,78,79,80,81,82.
Tensione di snervamento per acciaio inossidabile austenitico AISI grado 316 e composizione del modello in funzione della temperatura per simulazioni MD. Misurazioni sperimentali dai riferimenti: (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81. Fare riferimento a. (f) 82 è un modello empirico della dipendenza della tensione di snervamento dalla temperatura per la misurazione della tensione in linea durante la produzione additiva assistita da laser. I risultati della simulazione MD su larga scala in questo studio sono indicati come \(\vartriangleleft\) per un monocristallo infinito privo di difetti e \(\vartriangleright\) per grani finiti, tenendo conto della dimensione media dei grani tramite la relazione Hall-Petch Dimensioni\(d = 50~\upmu \text {m}\).
Si può osservare che a \(T>1500~\text {K}\) il limite di snervamento scende al di sotto di \(40~\text {MPa}\). D'altro canto, le stime prevedono che l'ampiezza ultrasonica generata dal laser superi \(40~\text {MPa}\) (vedere Fig. 4b), il che è sufficiente a indurre il flusso plastico nel materiale caldo appena solidificato.
La formazione della microstruttura dell'acciaio inossidabile austenitico 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) durante la SLM è stata studiata sperimentalmente utilizzando una sorgente laser pulsata a intensità modulata complessa.
È stata riscontrata una riduzione delle dimensioni dei grani nella zona di fusione laser dovuta alla continua rifusione laser dopo 1, 3 o 5 passaggi.
La modellazione macroscopica mostra che la dimensione stimata della regione in cui la deformazione ultrasonica può influenzare positivamente il fronte di solidificazione è pari a \(1~\text {mm}\).
Il modello MD microscopico mostra che il limite di snervamento dell'acciaio inossidabile austenitico AISI 316 è significativamente ridotto a \(40~\text {MPa}\) in prossimità del punto di fusione.
I risultati ottenuti suggeriscono un metodo per controllare la microstruttura dei materiali utilizzando una complessa elaborazione laser modulata e potrebbero servire come base per la creazione di nuove modifiche della tecnica SLM pulsata.
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