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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 di fusione mediante irradiazione laser a modulazione di intensità complessa. Studi sperimentali e simulazioni numeriche dimostrano che questo meccanismo di controllo è tecnicamente fattibile e può essere efficacemente integrato nella progettazione delle moderne macchine di fusione laser selettiva.
La produzione additiva (AM) di parti di forma complessa è cresciuta in modo significativo negli ultimi decenni. Tuttavia, nonostante la varietà di processi di produzione additiva, tra cui la fusione laser selettiva (SLM)1,2,3, la deposizione diretta di metallo mediante laser4,5,6, la fusione con fascio di elettroni7,8 e altri9,10, le parti possono presentare difetti. , che portano alla crescita del grano epitassiale e porosità significativa.12,13 ha mostrato che è necessario controllare i gradienti termici, le velocità di raffreddamento e la composizione della lega, o applicare ulteriori shock fisici mediante campi esterni di varie proprietà, come gli ultrasuoni, per ottenere strutture a grano equiassiale fine.
Numerose pubblicazioni si occupano dell'effetto del trattamento a vibrazione sul processo di solidificazione nei processi di colata 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 radicalmente.In questo caso, il campo esterno influisce in modo significativo sul processo di solidificazione. sono stati presi in considerazione l'oscillazione29, gli effetti elettromagnetici durante gli archi plasma pulsati30,31 e altri metodi32. Attaccare al substrato utilizzando una sorgente di ultrasuoni esterna ad alta intensità (a 20 kHz). L'affinamento del grano indotto dagli ultrasuoni è attribuito all'aumento della zona di sottoraffreddamento costitutivo a causa del ridotto gradiente di temperatura e del potenziamento degli ultrasuoni per generare nuovi cristalliti attraverso la cavitazione.
In questo lavoro, abbiamo studiato la possibilità di alterare la struttura del grano degli acciai inossidabili austenitici mediante sonicazione del pool fuso con onde sonore generate dal laser di fusione stesso. La modulazione dell'intensità della radiazione laser incidente sul mezzo che assorbe la luce provoca la generazione di onde ultrasoniche, che alterano la microstruttura del materiale. Questa modulazione dell'intensità della radiazione laser può essere facilmente integrata nelle stampanti 3D SLM esistenti. , tecnicamente, viene eseguito il trattamento superficiale laser. Tuttavia, se tale trattamento laser viene eseguito sulla superficie di ogni strato, durante la costruzione strato per strato, si ottengono effetti sull'intero volume o su parti selezionate del volume. In altre parole, se la parte viene costruita strato per strato, il trattamento superficiale laser di ogni strato equivale al "trattamento volume laser".
Considerando che nella terapia ultrasonica a base di 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 viene assorbita la radiazione laser. L'utilizzo di un sonotrodo in una macchina di fusione a letto di polvere SLM è complicato perché la superficie superiore del letto di polvere esposta alla radiazione laser dovrebbe rimanere stazionaria. part.La pressione sonora all'interno dell'intero bagno fuso non può superare lo 0,1% della pressione massima generata dalla testa di saldatura, poiché 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 ridotto.
Va notato che l'uso della radiazione laser modulata in intensità nella deposizione diretta di metallo laser è un'area di ricerca attiva35,36,37,38.
Gli effetti termici della radiazione laser incidente sul mezzo sono alla base di quasi tutte le tecniche laser di lavorazione dei materiali 39, 40, come il taglio 41, la saldatura, l'indurimento, la foratura 42, la pulizia delle superfici, l'alligazione delle superfici, la lucidatura delle superfici 43, ecc.
Va notato che qualsiasi azione non stazionaria sul mezzo, inclusa l'azione laser sul mezzo assorbente, provoca l'eccitazione delle onde acustiche in esso con maggiore o minore efficienza. analisi teoriche di questo processo e delle sue possibili applicazioni pratiche.
Questi problemi sono stati successivamente discussi in varie conferenze e l'eccitazione laser degli ultrasuoni ha applicazioni sia nelle applicazioni industriali della tecnologia laser53 che 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'effetto delle onde d'urto generate dal laser sui materiali è alla base del laser shock peening57,58,59, utilizzato anche per il trattamento superficiale di parti prodotte in modo additivo60. Tuttavia, il rafforzamento dell'urto laser 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 dei materiali solidificati. Il diagramma funzionale della configurazione sperimentale è mostrato nella Figura 1. È stato utilizzato un laser a stato solido Nd:YAG pulsato operante in modalità a corsa libera (durata dell'impulso \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\ )). 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 lungo tempo di risposta superiore a \(1~\text {ms}\)) vengono utilizzati per determinare l'incidente e riflesso dal bersaglio e due misuratori di potenza (fotodiodi con tempi di risposta brevi\(<10~\text {ns}\)) per determinare la potenza ottica incidente e riflessa. I calorimetri e i misuratori di potenza sono stati calibrati per fornire valori in unità assolute utilizzando un rilevatore a termopila Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0 e uno specchio dielettrico montato nella posizione del campione. }\)) e una vita del raggio sulla superficie bersaglio 60– \(100~\upmu\text {m}\).
Diagramma schematico funzionale dell'apparato sperimentale: 1—laser;2—raggio laser;3—filtro a densità neutra;4—fotodiodo sincronizzato;5-divisore del raggio;6-diaframma;7 - calorimetro del raggio incidente;8 – calorimetro del raggio riflesso;9 – misuratore di potenza del fascio incidente;10 – misuratore di potenza del raggio riflesso;11 – lente di messa a fuoco;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 ad ultrasuoni viene eseguito come segue. Il laser funziona in modalità a corsa libera;pertanto la durata dell'impulso laser è \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\), che consiste in durate multiple di circa \(1.5~\upmu \text {s } \) ciascuna. riscaldamento e 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.Va da \(7~\text {kHz}\) a \ (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 con pellicole di polivinilidene.
Distribuzione temporale dell'intensità dell'impulso laser (a) e della velocità del suono (b) sulla superficie posteriore del campione, gli spettri (curva blu) di un singolo impulso laser (c) e un impulso ultrasonico (d) in media su 300 impulsi laser (curva rossa).
Possiamo distinguere chiaramente le componenti a bassa frequenza 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 \(40~\text {cm}\);pertanto, si prevede l'effetto principale delle componenti ad alta frequenza a banda larga del segnale acustico sulla microstruttura.
I processi fisici in 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 di SLM. I modelli matematici dovrebbero inizialmente essere multi-fisici. La meccanica e la termofisica di un mezzo multifase "fusione solido-liquido" che interagisce con un'atmosfera di gas inerte possono quindi essere efficacemente descritte. Le caratteristiche dei carichi termici materiali in SLM sono le seguenti.
Velocità di riscaldamento e raffreddamento fino a \(10^6~\text {K}/\text {s}\) /\text{ a causa dell'irradiazione laser localizzata con densità di potenza fino a \(10^{13}~\text {W} cm}^2\).
Il ciclo 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 determina la formazione di elevate sollecitazioni termoelastiche nello strato superficiale. Una porzione sufficiente (fino al 20%) dello strato di polvere viene fortemente evaporata63, il che si traduce in un ulteriore carico di pressione sulla superficie in risposta all'ablazione laser. Di conseguenza, la deformazione indotta distorce in modo significativo la geometria della parte, in particolare in prossimità di supporti ed elementi strutturali sottili. sulla distribuzione locale degli sforzi e delle deformazioni, viene eseguita una simulazione mesoscopica del problema della deformazione elastica coniugata al trasferimento di calore e massa.
Le equazioni che governano il modello includono (1) equazioni di trasferimento termico instabile in cui la conducibilità termica dipende dallo stato di fase (polvere, fusione, policristallino) e temperatura, (2) fluttuazioni nella deformazione elastica dopo l'ablazione continua e l'equazione di espansione termoelastica. Il problema del valore limite è determinato dalle condizioni sperimentali. Il flusso laser modulato è definito sulla superficie del campione. il materiale evaporante. La relazione stress-deformazione elastoplastica viene utilizzata dove lo stress termoelastico è proporzionale alla differenza di temperatura. Per potenza nominale \(300~\text {W}\), frequenza \(10^5~\text {Hz}\), coefficiente intermittente 100 e \(200~\upmu \text {m}\ ) del diametro effettivo del raggio.
La figura 3 mostra i risultati della simulazione numerica della zona fusa utilizzando un modello matematico macroscopico. Il diametro della zona di fusione è \(200~\upmu \text {m}\) (\(100~\upmu \text { m}\) raggio) e \(40~\upmu \text {m}\) profondità. le velocità di riscaldamento \(V_h\) e di raffreddamento \(V_c\) sono rispettivamente dell'ordine di \(10^7\) e \(10^6~\text {K}/\text {s}\). 26~\upmu \text {s}\) la temperatura della superficie raggiunge picchi di \(4800~\text {K}\). Una vigorosa evaporazione del materiale può far sì che la superficie del campione sia soggetta a pressione eccessiva e si stacchi.
Risultati della simulazione numerica della zona di fusione della ricottura a singolo impulso laser 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. pertanto, nel dominio compreso tra le due isolinee (isoterme\(T=T_L\) e isobare\(\sigma =\sigma _V(T)\)), la fase solida è soggetta a forti sollecitazioni meccaniche, che possono portare a modificazioni della 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. In primo luogo, il comportamento 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~\upmu). 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 ultrasonica vengono generate in superficie e quindi si propagano nel substrato.
Le caratteristiche calcolate della zona di deformazione vicino alla zona di fusione sono mostrate in Fig. 4b. L'ablazione laser e lo stress termoelastico generano onde di deformazione elastica che si propagano nel substrato. Come si può vedere dalla figura, ci sono due fasi di generazione dello stress. e nessuna sollecitazione termoelastica è stata osservata nei punti di controllo perché la zona interessata dal calore iniziale era troppo piccola. Quando il calore viene dissipato nel substrato, il punto di controllo genera un'elevata sollecitazione termoelastica superiore a \(40~\text {MPa}\).
I livelli di sollecitazione modulati ottenuti hanno un impatto significativo sull'interfaccia solido-liquido e possono essere il meccanismo di controllo che regola il percorso di solidificazione. La dimensione della zona di deformazione è da 2 a 3 volte maggiore di quella della zona di fusione. \) 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 al SLM senza carico ultrasonico. Le regioni instabili deformate portano a cicli periodici di compressione e stiramento nella fase solida. Pertanto, la formazione di nuovi bordi di grano e bordi di sottograno diventa fattibile. Pertanto, le proprietà microstrutturali possono essere intenzionalmente modificate, come mostrato di seguito. 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) Sollecitazione di Von Mises dipendente dal tempo calcolata in una matrice solida a distanze 70, 120 e \(170~\upmu \text {m}\) dalla superficie del campione.
Gli esperimenti sono stati condotti su lastre di acciaio inossidabile AISI 321H con dimensioni \(20\times 20\times 5~\text {mm}\). Dopo ogni impulso laser, la piastra si sposta \(50~\upmu \text {m}\) e la vita del raggio laser sulla superficie target è di circa \(100~\upmu \text {m}\). la zona fusa 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 successivi cicli di rifusione (passaggi).
Sottotrame (a, d, g, j) e (b, e, h, k) - microstruttura delle regioni fuse al laser, sottotrame (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 dei colori nella parte superiore dell'istogramma). Le sottotrame (ac) corrispondono all'acciaio inossidabile non trattato e le sottotrame (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 sta agendo sul substrato piuttosto che sul fuso.
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 delle lastre di acciaio inossidabile (321H e 316L) sono state esposte a radiazione laser ad onda continua nell'atmosfera (Fig. 6) e nel vuoto (Fig. 7). struttura è stata osservata.
Microstruttura della regione fusa al laser di un laser ad onda continua (potenza costante 300 W, velocità di scansione 200 mm/s, acciaio inossidabile AISI 321H).
(a) Microstruttura e (b) immagine di diffrazione a retrodiffusione elettronica della zona di fusione laser del laser ad 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 del fuso in profondità nel campione. acciaio 34. Il possibile meccanismo è ipotizzato come segue. Gli ultrasuoni intensi possono causare cavitazione acustica, come dimostrato nell'imaging a raggi X di sincrotrone ultraveloce in situ. 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. produzione additiva a strati.
Qui, proponiamo un altro meccanismo responsabile della modifica strutturale mediante sonicazione intensa. Il materiale subito dopo la solidificazione si trova ad una temperatura elevata vicina al punto di fusione e presenta uno stress di snervamento estremamente basso. Le onde ultrasoniche intense possono causare un flusso plastico che alteri la struttura dei grani del materiale caldo appena solidificato. simulazioni di una composizione Fe-Cr-Ni simile all'acciaio AISI 316 L al fine di valutare il comportamento dello stress di snervamento vicino al punto di fusione. I risultati del calcolo MD dello stress da snervamento in funzione della temperatura sono mostrati in Fig. 8 insieme ai dati sperimentali disponibili e ad altre valutazioni77,78,79,80,81,82.
Stress di snervamento per acciaio inossidabile austenitico di grado AISI 316 e composizione del modello rispetto alla temperatura per le simulazioni MD. Misurazioni sperimentali dai riferimenti: (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81. indicato come \(\vartriangleleft\) per un singolo cristallo infinito privo di difetti e \(\vartriangleright\) per grani finiti tenendo conto della dimensione media del grano tramite la relazione Hall-Petch Dimensions\(d = 50~\upmu \text {m}\).
Si può vedere che a \(T>1500~\text {K}\) lo stress di snervamento scende al di sotto di \(40~\text {MPa}\). D'altra parte, le stime prevedono che l'ampiezza ultrasonica generata dal laser superi \(40~\text {MPa}\) (vedi Fig. 4b), che è sufficiente per indurre il flusso plastico nel materiale caldo appena solidificato.
La formazione della microstruttura dell'acciaio inossidabile austenitico 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) durante SLM è stata studiata sperimentalmente utilizzando una complessa sorgente laser pulsata a intensità modulata.
La riduzione della dimensione dei grani nella zona di fusione laser è stata riscontrata a causa della rifusione laser continua 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 fino a \(1~\text {mm}\).
Il modello microscopico MD mostra che la resistenza allo snervamento dell'acciaio inossidabile austenitico AISI 316 è significativamente ridotta a \(40~\text {MPa}\) vicino al 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 creare nuove modifiche della tecnica SLM pulsata.
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