Grazzi talli żort Nature.com. Il-verżjoni tal-browser li qed tuża għandha appoġġ limitat għas-CSS. Għall-aħjar esperjenza, nirrakkomandaw li tuża browser aġġornat (jew titfi l-modalità ta' kompatibilità fl-Internet Explorer). Sadanittant, biex niżguraw appoġġ kontinwu, se nuru s-sit mingħajr stili u JavaScript.
Qed jiġi propost mekkaniżmu ġdid ibbażat fuq tidwib selettiv bil-lejżer biex jikkontrolla l-mikrostruttura tal-prodotti fil-proċess tal-manifattura. Il-mekkaniżmu jiddependi fuq il-ġenerazzjoni ta' mewġ ultrasoniku ta' intensità għolja fil-ġabra mdewba permezz ta' irradjazzjoni bil-lejżer b'intensità modulata kumplessa. Studji sperimentali u simulazzjonijiet numeriċi juru li dan il-mekkaniżmu ta' kontroll huwa teknikament fattibbli u jista' jiġi integrat b'mod effettiv fid-disinn ta' magni moderni tat-tidwib selettiv bil-lejżer.
Il-manifattura addittiva (AM) ta' partijiet b'forom kumplessi kibret b'mod sinifikanti f'dawn l-aħħar deċennji. Madankollu, minkejja l-varjetà ta' proċessi ta' manifattura addittiva, inkluż it-tidwib selettiv bil-lejżer (SLM)1,2,3, id-depożizzjoni diretta tal-metall bil-lejżer4,5,6, it-tidwib b'raġġ ta' elettroni7,8 u oħrajn9,10, il-Partijiet jistgħu jkunu difettużi. Dan huwa prinċipalment minħabba l-karatteristiċi speċifiċi tal-proċess ta' solidifikazzjoni tal-ġabra mdewba assoċjati ma' gradjenti termali għoljin, rati għoljin ta' tkessiħ, u l-kumplessità taċ-ċikli ta' tisħin fit-tidwib u t-tidwib mill-ġdid tal-materjal 11, li jwasslu għal tkabbir epitassjali tal-qamħ u porożità sinifikanti. 12,13 urew li huwa meħtieġ li jiġu kkontrollati l-gradjenti termali, ir-rati tat-tkessiħ, u l-kompożizzjoni tal-liga, jew jiġu applikati xokkijiet fiżiċi addizzjonali minn kampi esterni ta' diversi proprjetajiet, bħall-ultrasound, biex jinkisbu strutturi fini ekwiassiali tal-qamħ.
Bosta pubblikazzjonijiet huma kkonċernati bl-effett tat-trattament tal-vibrazzjoni fuq il-proċess ta' solidifikazzjoni fi proċessi konvenzjonali tal-ikkastjar14,15. Madankollu, l-applikazzjoni ta' kamp estern għal tidwib bl-ingrossa ma tipproduċix il-mikrostruttura tal-materjal mixtieqa. Jekk il-volum tal-fażi likwida huwa żgħir, is-sitwazzjoni tinbidel drastikament. F'dan il-każ, il-kamp estern jaffettwa b'mod sinifikanti l-proċess ta' solidifikazzjoni. Ġew ikkunsidrati kampi tal-ħoss intensi16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27, taħwid tal-ark28 u oxxillazzjoni29, effetti elettromanjetiċi waqt arki tal-plażma pulsati30,31 u metodi oħra32. Waħħal mas-sottostrat bl-użu ta' sors estern ta' ultrasoniku ta' intensità għolja (f'20 kHz). Ir-raffinar tal-qamħ ikkaġunat mill-ultrasound huwa attribwit għaż-żieda fiż-żona ta' sottotkessiħ kostituttiv minħabba l-gradjent tat-temperatura mnaqqas u t-titjib tal-ultrasound biex jiġġeneraw kristalliti ġodda permezz tal-kavitazzjoni.
F'dan ix-xogħol, investigajna l-possibbiltà li nbiddlu l-istruttura tal-qamħ tal-azzar inossidabbli awstenitiku billi nissonicaw il-ġabra mdewba b'mewġ tal-ħoss iġġenerat mil-lejżer tat-tidwib innifsu. Il-modulazzjoni tal-intensità tar-radjazzjoni tal-lejżer inċidentali fuq il-mezz li jassorbi d-dawl tirriżulta fil-ġenerazzjoni ta' mewġ ultrasoniku, li jbiddel il-mikrostruttura tal-materjal. Din il-modulazzjoni tal-intensità tar-radjazzjoni tal-lejżer tista' tiġi integrata faċilment fi printers 3D SLM eżistenti. L-esperimenti f'dan ix-xogħol twettqu fuq pjanċi tal-azzar inossidabbli li l-uċuħ tagħhom kienu esposti għal radjazzjoni tal-lejżer modulata bl-intensità. Għalhekk, teknikament, isir trattament tal-wiċċ bil-lejżer. Madankollu, jekk tali trattament bil-lejżer jitwettaq fuq il-wiċċ ta' kull saff, waqt il-bini saff b'saff, jinkisbu effetti fuq il-volum kollu jew fuq partijiet magħżula tal-volum. Fi kliem ieħor, jekk il-parti tkun mibnija saff b'saff, it-trattament tal-wiċċ bil-lejżer ta' kull saff huwa ekwivalenti għal "trattament tal-volum bil-lejżer".
Billi fit-terapija ultrasonika bbażata fuq qrun ultrasoniku, l-enerġija ultrasonika tal-mewġa tal-ħoss wieqfa hija mqassma mal-komponent kollu, filwaqt li l-intensità ultrasonika indotta mil-lejżer hija kkonċentrata ħafna ħdejn il-punt fejn ir-radjazzjoni tal-lejżer tiġi assorbita. L-użu ta' sonotrode f'magna tal-fużjoni tas-sodda tat-trab SLM huwa kkumplikat għaliex il-wiċċ ta' fuq tas-sodda tat-trab espost għar-radjazzjoni tal-lejżer għandu jibqa' wieqaf. Barra minn hekk, m'hemm l-ebda stress mekkaniku fuq il-wiċċ ta' fuq tal-parti. Għalhekk, l-istress akustiku huwa qrib iż-żero u l-veloċità tal-partiċelli għandha amplitudni massima fuq il-wiċċ ta' fuq kollu tal-parti. Il-pressjoni tal-ħoss ġewwa l-ġabra mdewba kollha ma tistax taqbeż 0.1% tal-pressjoni massima ġġenerata mir-ras tal-iwweldjar, għaliex it-tul tal-mewġa tal-mewġ ultrasoniku bi frekwenza ta' 20 kHz fl-istainless steel huwa \(\sim 0.3~\text {m}\), u l-fond ġeneralment ikun inqas minn \(\sim 0.3~\text {mm}\). Għalhekk, l-effett tal-ultrasound fuq il-kavitazzjoni jista' jkun żgħir.
Ta' min jinnota li l-użu ta' radjazzjoni bil-lejżer b'intensità modulata fid-depożizzjoni diretta tal-metall bil-lejżer huwa qasam attiv ta' riċerka35,36,37,38.
L-effetti termali tar-radjazzjoni tal-lejżer inċidentali fuq il-mezz huma l-bażi għal kważi t-tekniki kollha tal-ipproċessar tal-materjali bil-lejżer 39, 40, bħal qtugħ 41, iwweldjar, twebbis, tħaffir 42, tindif tal-wiċċ, liga tal-wiċċ, illustrar tal-wiċċ 43, eċċ. It-teknoloġija tal-ipproċessar tal-materjali u r-riżultati preliminari miġbura fil-qosor f'ħafna reviżjonijiet u monografi 44, 45, 46.
Ta' min jinnota li kwalunkwe azzjoni mhux stazzjonarja fuq il-mezz, inkluża l-azzjoni tal-lejżer fuq il-mezz assorbenti, tirriżulta fl-eċitazzjoni ta' mewġ akustiku fih b'aktar jew inqas effiċjenza. Inizjalment, l-enfasi ewlenija kienet fuq l-eċitazzjoni bil-lejżer tal-mewġ fil-likwidi u d-diversi mekkaniżmi ta' eċitazzjoni termali tal-ħoss (espansjoni termali, evaporazzjoni, bidla fil-volum waqt it-tranżizzjoni tal-fażi, kontrazzjoni, eċċ.) 47, 48, 49. Bosta monografiji50, 51, 52 jipprovdu analiżijiet teoretiċi ta' dan il-proċess u l-applikazzjonijiet prattiċi possibbli tiegħu.
Dawn il-kwistjonijiet ġew diskussi sussegwentement f'diversi konferenzi, u l-eċitazzjoni bil-lejżer tal-ultrasound għandha applikazzjonijiet kemm f'applikazzjonijiet industrijali tat-teknoloġija tal-lejżer53 kif ukoll fil-mediċina54. Għalhekk, jista' jiġi kkunsidrat li l-kunċett bażiku tal-proċess li bih id-dawl tal-lejżer pulsat jaġixxi fuq mezz assorbenti ġie stabbilit. L-ispezzjoni ultrasonika bil-lejżer tintuża għad-detezzjoni ta' difetti ta' kampjuni manifatturati bl-SLM55,56.
L-effett tal-mewġ ta' xokk iġġenerati bil-lejżer fuq il-materjali huwa l-bażi tat-tqattigħ bix-xokk bil-lejżer57,58,59, li jintuża wkoll għat-trattament tal-wiċċ ta' partijiet manifatturati b'mod addittiv60. Madankollu, it-tisħiħ tax-xokk bil-lejżer huwa l-aktar effettiv fuq impulsi tal-lejżer f'nanosekondi u uċuħ mgħobbija mekkanikament (eż., b'saff ta' likwidu)59 għaliex it-tagħbija mekkanika żżid il-pressjoni massima.
Saru esperimenti biex jiġu investigati l-effetti possibbli ta' diversi kampi fiżiċi fuq il-mikrostruttura ta' materjali solidifikati. Id-dijagramma funzjonali tas-setup sperimentali hija murija fil-Figura 1. Intuża laser ta' stat solidu Nd:YAG pulsat li jopera f'modalità free-running (tul tal-impuls \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\)). Kull impuls tal-lejżer jiġi mgħoddi minn serje ta' filtri ta' densità newtrali u sistema ta' pjanċa li taqsam ir-raġġ. Skont il-kombinazzjoni ta' filtri ta' densità newtrali, l-enerġija tal-impuls fuq il-mira tvarja minn \(E_L \sim 20~\text {mJ}\) sa \(E_L \sim 100~\text {mJ}\). Ir-raġġ tal-lejżer rifless mis-splitter tar-raġġ jiġi mitmugħ lil fotodijodu għal akkwist simultanju tad-dejta, u żewġ kalorimetri (fotodijodi b'ħin ta' rispons twil li jaqbeż \(1~\text {ms}\)) jintużaw biex jiddeterminaw l-inċident lejn u r-rifless mill-mira, u żewġ miters tal-qawwa (fotodijodi b'rispons qasir darbiet\(<10~\text {ns}\)) biex tiġi ddeterminata l-qawwa ottika inċidentali u riflessa. Il-kalorimetri u l-miters tal-enerġija ġew ikkalibrati biex jagħtu valuri f'unitajiet assoluti bl-użu ta' ditekter termopil Gentec-EO XLP12-3S-H2-D0 u mera dielettrika mmuntata fil-post tal-kampjun. Iffoka r-raġġ fuq il-mira bl-użu ta' lenti (Kisi antiriflessjoni f'\(1.06 \upmu \text {m}\), tul fokali \(160~\text {mm}\)) u qadd tar-raġġ fil-wiċċ tal-mira 60– \(100~\upmu\text {m}\).
Dijagramma skematika funzjonali tas-setup sperimentali: 1—lejżer; 2—raġġ tal-lejżer; 3—filtru ta' densità newtrali; 4—fotodijodu sinkronizzat; 5—splitter tar-raġġ; 6—dijaframma; 7—kalorimetru tar-raġġ inċidentali; 8 – kalorimetru tar-raġġ rifless; 9 – miter tal-qawwa tar-raġġ inċidentali; 10 – miter tal-qawwa tar-raġġ rifless; 11 – lenti tal-iffukar; 12 – mera; 13 – kampjun; 14 – transducer pjeżoelettriku broadband; 15 – konvertitur 2D; 16 – mikrokontrollur tal-pożizzjonament; 17 – unità ta' sinkronizzazzjoni; 18 – sistema ta' akkwist diġitali b'ħafna kanali b'rati ta' kampjunar varji; 19 – kompjuter personali.
It-trattament ultrasoniku jitwettaq kif ġej. Il-lejżer jopera fil-modalità free-running; għalhekk it-tul tal-polz tal-lejżer huwa \(\tau _L \sim 150~\upmu \text {s}\), li jikkonsisti f'tulijiet multipli ta' madwar \(1.5~\upmu \text {s} \) kull wieħed. Il-forma temporali tal-polz tal-lejżer u l-ispettru tiegħu jikkonsistu f'envelopp ta' frekwenza baxxa u modulazzjoni ta' frekwenza għolja, bi frekwenza medja ta' madwar \(0.7~\text {MHz}\), kif muri fil-Figura 2.- L-envelopp tal-frekwenza jipprovdi t-tisħin u t-tidwib u l-evaporazzjoni sussegwenti tal-materjal, filwaqt li l-komponent ta' frekwenza għolja jipprovdi l-vibrazzjonijiet ultrasoniċi minħabba l-effett fotoakustiku. Il-forma tal-mewġa tal-polz ultrasoniku ġġenerat mil-lejżer hija prinċipalment determinata mill-forma tal-ħin tal-intensità tal-polz tal-lejżer. Huwa minn \(7~\text {kHz}\) sa \ (2~\text {MHz}\), u l-frekwenza ċentrali hija \(~ 0.7~\text {MHz}\). L-impulsi akustiċi minħabba l-effett fotoakustiku ġew irreġistrati bl-użu ta' transducers pjeżoelettriċi broadband magħmula minn films tal-fluworidu tal-poliviniliden. Il-forma tal-mewġa rreġistrata u l-ispettru tagħha huma murija fil-Figura 2. Ta' min jinnota li l-forma tal-impulsi tal-lejżer hija tipika ta' lejżer b'modalità free-running.
Distribuzzjoni temporali tal-intensità tal-impuls tal-lejżer (a) u l-veloċità tal-ħoss (b) fuq il-wiċċ ta' wara tal-kampjun, l-ispettri (kurva blu) ta' impuls wieħed tal-lejżer (ċ) u impuls tal-ultrasound (d) medjati fuq 300 impuls tal-lejżer (kurva ħamra).
Nistgħu niddistingwu b'mod ċar il-komponenti ta' frekwenza baxxa u ta' frekwenza għolja tat-trattament akustiku li jikkorrispondu għall-pakkett ta' frekwenza baxxa tal-polz tal-lejżer u l-modulazzjoni ta' frekwenza għolja, rispettivament. It-tul tal-mewġ tal-mewġ akustiku ġġenerat mill-pakkett tal-polz tal-lejżer jaqbeż \(40~\text {cm}\); għalhekk, l-effett ewlieni tal-komponenti ta' frekwenza għolja broadband tas-sinjal akustiku fuq il-mikrostruttura huwa mistenni.
Il-proċessi fiżiċi fl-SLM huma kumplessi u jseħħu simultanjament fuq skali spazjali u temporali differenti. Għalhekk, metodi multi-skala huma l-aktar adattati għall-analiżi teoretika tal-SLM. Il-mudelli matematiċi għandhom inizjalment ikunu multi-fiżiċi. Il-mekkaniżmi u t-termofiżika ta' mezz multifażi "tidwib solidu-likwidu" li jinteraġixxi ma' atmosfera ta' gass inert jistgħu mbagħad jiġu deskritti b'mod effettiv. Il-karatteristiċi tat-tagħbijiet termali tal-materjal fl-SLM huma kif ġej.
Rati ta' tisħin u tkessiħ sa \(10^6~\text {K}/\text {s}\) /\text{ minħabba irradjazzjoni lokalizzata bil-lejżer b'densitajiet ta' qawwa sa \(10^{13}~\text {W} cm}^2\).
Iċ-ċiklu tat-tidwib-solidifikazzjoni jdum bejn 1 u \(10~\text {ms}\), li jikkontribwixxi għas-solidifikazzjoni rapida taż-żona tat-tidwib waqt it-tkessiħ.
Tisħin rapidu tal-wiċċ tal-kampjun jirriżulta fil-formazzjoni ta' stress termoelastiku għoli fis-saff tal-wiċċ. Porzjon suffiċjenti (sa 20%) tas-saff tat-trab jiġi evaporat b'mod qawwi63, li jirriżulta f'tagħbija ta' pressjoni addizzjonali fuq il-wiċċ b'reazzjoni għall-ablazzjoni bil-lejżer. Konsegwentement, it-tensjoni indotta tgħawweġ b'mod sinifikanti l-ġeometrija tal-parti, speċjalment ħdejn is-sapporti u l-elementi strutturali rqaq. Ir-rata għolja ta' tisħin fl-ittemprar bil-lejżer pulsat tirriżulta fil-ġenerazzjoni ta' mewġ ta' tensjoni ultrasoniku li jippropaga mill-wiċċ għas-sottostrat. Sabiex tinkiseb dejta kwantitattiva preċiża dwar id-distribuzzjoni lokali tal-istress u t-tensjoni, titwettaq simulazzjoni mesoskomika tal-problema tad-deformazzjoni elastika konjugata mat-trasferiment tas-sħana u l-massa.
L-ekwazzjonijiet governattivi tal-mudell jinkludu (1) ekwazzjonijiet ta' trasferiment tas-sħana mhux stabbli fejn il-konduttività termali tiddependi fuq l-istat tal-fażi (trab, tidwib, polikristallin) u t-temperatura, (2) varjazzjonijiet fid-deformazzjoni elastika wara ablazzjoni kontinwa u ekwazzjoni ta' espansjoni termoelastika. Il-problema tal-valur limitu hija determinata minn kundizzjonijiet sperimentali. Il-fluss tal-lejżer modulat huwa definit fuq il-wiċċ tal-kampjun. It-tkessiħ konvettiv jinkludi skambju tas-sħana konduttiv u fluss evaporattiv. Il-fluss tal-massa huwa definit abbażi tal-kalkolu tal-pressjoni tal-fwar saturat tal-materjal li jevapora. Ir-relazzjoni elastoplastika bejn l-istress u t-tensjoni tintuża fejn l-istress termoelastiku huwa proporzjonali għad-differenza fit-temperatura. Għal qawwa nominali \(300~\text {W}\), frekwenza \(10^5~\text {Hz}\), koeffiċjent intermittenti 100 u \(200~\upmu \text {m}\ ) tad-dijametru effettiv tar-raġġ.
Il-Figura 3 turi r-riżultati tas-simulazzjoni numerika taż-żona mdewba bl-użu ta' mudell matematiku makroskopiku. Id-dijametru taż-żona tal-fużjoni huwa \(200~\upmu \text {m}\) (raġġ ta' \(100~\upmu \text {m}\) u fond ta' \(40~\upmu \text {m}\). Ir-riżultati tas-simulazzjoni juru li t-temperatura tal-wiċċ tvarja lokalment maż-żmien bħala \(100~\text {K}\) minħabba l-fattur intermittenti għoli tal-modulazzjoni tal-polz. Ir-rati tat-tisħin \(V_h\) u tat-tkessiħ \(V_c\) huma fl-ordni ta' \(10^7\) u \(10^6~\text {K}/\text {s}\), rispettivament. Dawn il-valuri huma fi qbil tajjeb mal-analiżi preċedenti tagħna64. Differenza ta' ordni ta' kobor bejn \(V_h\) u \(V_c\) tirriżulta f'tisħin żejjed mgħaġġel tas-saff tal-wiċċ, fejn il-konduzzjoni termali għas-sottostrat mhijiex biżżejjed biex tneħħi s-sħana. Għalhekk, f' \(t=26~\upmu \text {s}\) it-temperatura tal-wiċċ tilħaq il-quċċata sa \(4800~\text {K}\). Evaporazzjoni qawwija tal-materjal tista' tikkawża li l-wiċċ tal-kampjun ikun soġġett għal pressjoni eċċessiva u jitqaxxar.
Riżultati ta' simulazzjoni numerika taż-żona tat-tidwib ta' ittemprar b'impuls wieħed tal-lejżer fuq pjanċa tal-kampjun 316L. Il-ħin mill-bidu tal-impuls sal-fond tal-ġabra mdewba li tilħaq il-valur massimu huwa \(180~\upmu\text {s}\). L-isoterma\(T = T_L = 1723~\text {K}\) tirrappreżenta l-konfini bejn il-fażijiet likwidi u solidi. L-isobari (linji sofor) jikkorrispondu għall-istress tar-rendiment ikkalkulat bħala funzjoni tat-temperatura fit-taqsima li jmiss. Għalhekk, fid-dominju bejn iż-żewġ isolinji (isotermi\(T=T_L\) u isobari\(\sigma =\sigma _V(T)\)), il-fażi solida hija soġġetta għal tagħbijiet mekkaniċi qawwija, li jistgħu jwasslu għal bidliet fil-mikrostruttura.
Dan l-effett huwa spjegat aktar fil-Figura 4a, fejn il-livell tal-pressjoni fiż-żona mdewba huwa pplottjat bħala funzjoni tal-ħin u d-distanza mill-wiċċ. L-ewwel, l-imġiba tal-pressjoni hija relatata mal-modulazzjoni tal-intensità tal-impuls tal-lejżer deskritta fil-Figura 2 hawn fuq. Pressjoni massima \text{s}\) ta' madwar \(10~\text {MPa}\) ġiet osservata f'madwar \(t=26~\upmu). It-tieni, il-varjazzjoni tal-pressjoni lokali fil-punt ta' kontroll għandha l-istess karatteristiċi ta' oxxillazzjoni bħall-frekwenza ta' \(500~\text {kHz}\). Dan ifisser li l-mewġ tal-pressjoni ultrasonika huma ġġenerati fil-wiċċ u mbagħad jippropagaw fis-sottostrat.
Il-karatteristiċi kkalkulati taż-żona ta' deformazzjoni ħdejn iż-żona tat-tidwib huma murija fil-Fig. 4b. L-ablazzjoni bil-lejżer u l-istress termoelastiku jiġġeneraw mewġ ta' deformazzjoni elastika li jippropagaw fis-sottostrat. Kif jidher mill-figura, hemm żewġ stadji ta' ġenerazzjoni ta' stress. Matul l-ewwel fażi ta' \(t < 40~\upmu \text {s}\), l-istress ta' Mises jogħla għal \(8~\text {MPa}\) b'modulazzjoni simili għall-pressjoni tal-wiċċ. Dan l-istress iseħħ minħabba l-ablazzjoni bil-lejżer, u l-ebda stress termoelastiku ma ġie osservat fil-punti ta' kontroll għaliex iż-żona inizjali affettwata mis-sħana kienet żgħira wisq. Meta s-sħana tinħela fis-sottostrat, il-punt ta' kontroll jiġġenera stress termoelastiku għoli 'l fuq minn \(40~\text {MPa}\).
Il-livelli ta' stress modulati miksuba għandhom impatt sinifikanti fuq l-interfaċċja solidu-likwidu u jistgħu jkunu l-mekkaniżmu ta' kontroll li jirregola l-mogħdija tas-solidifikazzjoni. Id-daqs taż-żona ta' deformazzjoni huwa minn darbtejn sa tliet darbiet akbar minn dak taż-żona tat-tidwib. Kif muri fil-Figura 3, il-post tal-isoterma tat-tidwib u l-livell ta' stress ugwali għall-istress tar-rendiment huma mqabbla. Dan ifisser li l-irradjazzjoni bil-lejżer pulsata tipprovdi tagħbijiet mekkaniċi għoljin f'żoni lokalizzati b'dijametru effettiv bejn 300 u \(800~\upmu \text {m}\) skont il-ħin istantanju.
Għalhekk, il-modulazzjoni kumplessa tal-ittemprar bil-lejżer pulsat twassal għall-effett ultrasoniku. Il-mogħdija tal-għażla tal-mikrostruttura hija differenti jekk titqabbel mal-SLM mingħajr tagħbija ultrasonika. Reġjuni instabbli deformati jwasslu għal ċikli perjodiċi ta' kompressjoni u tiġbid fil-fażi solida. Għalhekk, il-formazzjoni ta' konfini ġodda tal-qamħ u konfini tas-subqamħ issir fattibbli. Għalhekk, il-proprjetajiet mikrostrutturali jistgħu jinbidlu intenzjonalment, kif muri hawn taħt. Il-konklużjonijiet miksuba jipprovdu l-possibbiltà li jiġi ddisinjat prototip SLM immexxi mill-ultrasound indott mill-modulazzjoni tal-polz. F'dan il-każ, l-induttur pjeżoelettriku 26 użat x'imkien ieħor jista' jiġi eskluż.
(a) Pressjoni bħala funzjoni tal-ħin, ikkalkulata f'distanzi differenti mill-wiċċ 0, 20 u \(40~\upmu \text {m}\) tul l-assi tas-simetrija. (b) Stress ta' Von Mises dipendenti fuq il-ħin ikkalkulat f'matriċi solida f'distanzi 70, 120 u \(170~\upmu \text {m}\) mill-wiċċ tal-kampjun.
L-esperimenti twettqu fuq pjanċi tal-azzar inossidabbli AISI 321H b'dimensjonijiet \(20\times 20\times 5~\text {mm}\). Wara kull impuls tal-lejżer, il-pjanċa tiċċaqlaq \(50~\upmu \text {m}\), u l-qadd tar-raġġ tal-lejżer fuq il-wiċċ fil-mira huwa ta' madwar \(100~\upmu \text {m}\). Sa ħames dawriet sussegwenti tar-raġġ jitwettqu tul l-istess mogħdija biex jinduċu t-tidwib mill-ġdid tal-materjal ipproċessat għar-raffinar tal-qamħ. Fil-każijiet kollha, iż-żona mdewba mill-ġdid ġiet sonikata, skont il-komponent oxxillatorju tar-radjazzjoni tal-lejżer. Dan jirriżulta fi tnaqqis ta' aktar minn 5 darbiet fl-erja medja tal-qamħ. Il-Figura 5 turi kif il-mikrostruttura tar-reġjun imdewweb bil-lejżer tinbidel bin-numru ta' ċikli ta' tidwib mill-ġdid (dawriet) sussegwenti.
Subplots (a,d,g,j) u (b,e,h,k) – mikrostruttura tar-reġjuni mdewba bil-lejżer, subplots (c,f,i,l) – distribuzzjoni taż-żona tal-qmuħ ikkuluriti. Id-dell jirrappreżenta l-partiċelli użati biex tiġi kkalkulata l-istogramma. Il-kuluri jikkorrispondu għar-reġjuni tal-qmuħ (ara l-istrixxa tal-kulur fil-parti ta' fuq tal-istogramma. Is-subplots (ac) jikkorrispondu għall-azzar inossidabbli mhux trattat, u s-subplots (df), (gi), (jl) jikkorrispondu għal 1, 3 u 5 tidwib mill-ġdid.
Peress li l-enerġija tal-polz tal-lejżer ma tinbidilx bejn il-passaġġi sussegwenti, il-fond taż-żona mdewba huwa l-istess. Għalhekk, il-kanal sussegwenti "jgħatti" kompletament lil dak ta' qabel. Madankollu, l-istogramma turi li l-erja medja u medjana tal-qamħ tonqos biż-żieda fin-numru ta' passes. Dan jista' jindika li l-lejżer qed jaġixxi fuq is-sottostrat aktar milli fuq it-tidwib.
Ir-raffinar tal-qamħ jista' jkun ikkawżat minn tkessiħ rapidu tal-ġabra mdewba65. Sar sett ieħor ta' esperimenti fejn l-uċuħ tal-pjanċi tal-azzar li ma jissaddadx (321H u 316L) ġew esposti għal radjazzjoni tal-lejżer b'mewġa kontinwa fl-atmosfera (Fig. 6) u fil-vakwu (Fig. 7). Il-qawwa medja tal-lejżer (300 W u 100 W, rispettivament) u l-fond tal-ġabra mdewba huma qrib ir-riżultati sperimentali tal-lejżer Nd:YAG fil-modalità free-running. Madankollu, ġiet osservata struttura kolonnari tipika.
Mikrostruttura tar-reġjun imdewweb bil-lejżer ta' lejżer b'mewġa kontinwa (qawwa kostanti ta' 300 W, veloċità ta' skennjar ta' 200 mm/s, azzar inossidabbli AISI 321H).
(a) Mikrostruttura u (b) immaġni ta' diffrazzjoni ta' backscatter tal-elettroni taż-żona tat-tidwib tal-lejżer ta' lejżer b'mewġa kontinwa fil-vakwu (qawwa kostanti 100 W, veloċità ta' skennjar 200 mm/s, azzar inossidabbli AISI 316L) \ (\sim 2~\text {mbar }\).
Għalhekk, huwa muri b'mod ċar li l-modulazzjoni kumplessa tal-intensità tal-polz tal-lejżer għandha effett sinifikanti fuq il-mikrostruttura li tirriżulta. Aħna nemmnu li dan l-effett huwa ta' natura mekkanika u jseħħ minħabba l-ġenerazzjoni ta' vibrazzjonijiet ultrasoniċi li jippropagaw mill-wiċċ irradjat tat-tidwib fil-fond fil-kampjun. Riżultati simili nkisbu fi 13, 26, 34, 66, 67 bl-użu ta' transducers pjeżoelettriċi esterni u sonotrodes li jipprovdu ultrasound ta' intensità għolja f'diversi materjali inkluż liga Ti-6Al-4V 26 u azzar inossidabbli 34 ir-riżultat ta'. Il-mekkaniżmu possibbli huwa spekulat kif ġej. Ultrasound intens jista' jikkawża kavitazzjoni akustika, kif muri fl-immaġini bir-raġġi-X tas-sinkrotron in situ ultraveloċi. Il-kollass tal-bżieżaq tal-kavitazzjoni min-naħa tiegħu jiġġenera mewġ ta' xokk fil-materjal imdewweb, li l-pressjoni ta' quddiem tiegħu tilħaq madwar \(100~\text {MPa}\)69. Tali mewġ ta' xokk jista' jkun b'saħħtu biżżejjed biex jippromwovi l-formazzjoni ta' nuklei ta' fażi solida ta' daqs kritiku f'likwidi bl-ingrossa, u jfixkel l-istruttura tipika tal-qamħ kolonnari ta' manifattura addittiva saff b'saff.
Hawnhekk, nipproponu mekkaniżmu ieħor responsabbli għall-modifika strutturali permezz ta' sonikazzjoni intensa. Il-materjal eżatt wara s-solidifikazzjoni jkun f'temperatura għolja qrib il-punt tat-tidwib u għandu stress ta' rendiment estremament baxx. Mewġ ultrasoniku intens jista' jikkawża li l-fluss tal-plastik jibdel l-istruttura tal-qamħ tal-materjal sħun li jkun għadu kif issolidifika. Madankollu, dejta sperimentali affidabbli dwar id-dipendenza tat-temperatura tal-istress ta' rendiment hija disponibbli f'\(T\lesssim 1150~\text {K}\) (ara l-Figura 8). Għalhekk, biex nittestjaw l-ipoteżi, wettaqna simulazzjonijiet tad-dinamika molekulari (MD) ta' kompożizzjoni Fe-Cr-Ni simili għall-azzar AISI 316 L sabiex nevalwaw l-imġiba tal-istress ta' rendiment qrib il-punt tat-tidwib. Biex nikkalkulaw l-istress ta' rendiment, użajna t-teknika ta' rilassament tal-istress shear MD iddettaljata f'70, 71, 72, 73. Għall-kalkoli tal-interazzjoni interatomika, użajna l-Mudell Atomiku Inkorporat (EAM) minn 74. Is-simulazzjonijiet MD twettqu bl-użu tal-kodiċijiet LAMMPS 75,76. Id-dettalji tas-simulazzjoni MD se jiġu ppubblikati x'imkien ieħor. Ir-riżultati tal-kalkolu MD tal-istress ta' rendiment bħala funzjoni ta' It-temperatura huma murija fil-Fig. 8 flimkien mad-dejta sperimentali disponibbli u evalwazzjonijiet oħra77,78,79,80,81,82.
Stress ta' rendiment għall-azzar inossidabbli awstenitiku tal-grad AISI 316 u l-kompożizzjoni tal-mudell kontra t-temperatura għas-simulazzjonijiet MD. Kejl sperimentali mir-referenzi: (a) 77, (b) 78, (c) 79, (d) 80, (e) 81. irreferi għal. (f)82 huwa mudell empiriku tad-dipendenza tal-istress ta' rendiment mat-temperatura għall-kejl tal-istress in-line waqt il-manifattura addittiva assistita bil-lejżer. Ir-riżultati tas-simulazzjoni MD fuq skala kbira f'dan l-istudju huma denotati bħala \(\vartriangleleft\) għal kristall wieħed infinit mingħajr difetti u \(\vartriangleright\) għal qmuħ finiti filwaqt li jitqies id-daqs medju tal-qamħ permezz tar-relazzjoni Hall-Petch Dimensions\(d = 50~\upmu \text {m}\).
Jista' jidher li f'\(T>1500~\text {K}\) l-istress tar-rendiment jinżel taħt \(40~\text {MPa}\). Mill-banda l-oħra, l-istimi jbassru li l-amplitudni ultrasonika ġġenerata mil-lejżer taqbeż \(40~\text {MPa}\) (ara l-Fig. 4b), li huwa biżżejjed biex jikkaġuna fluss tal-plastik fil-materjal jaħraq li jkun għadu kif issolidifika.
Il-formazzjoni tal-mikrostruttura tal-azzar inossidabbli awstenitiku 12Cr18Ni10Ti (AISI 321H) waqt l-SLM ġiet investigata b'mod sperimentali bl-użu ta' sors ta' lejżer pulsat b'intensità modulata kumplessa.
Instab tnaqqis fid-daqs tal-qamħ fiż-żona tat-tidwib bil-lejżer minħabba tidwib mill-ġdid kontinwu bil-lejżer wara 1, 3 jew 5 passaġġi.
Il-mudellar makroskopiku juri li d-daqs stmat tar-reġjun fejn id-deformazzjoni ultrasonika tista' taffettwa b'mod pożittiv il-front tas-solidifikazzjoni huwa sa \(1~\text {mm}\).
Il-mudell mikroskopiku MD juri li s-saħħa tar-rendiment tal-azzar inossidabbli awstenitiku AISI 316 hija mnaqqsa b'mod sinifikanti għal \(40~\text {MPa}\) qrib il-punt tat-tidwib.
Ir-riżultati miksuba jissuġġerixxu metodu għall-kontroll tal-mikrostruttura tal-materjali bl-użu ta' pproċessar bil-lejżer modulat kumpless u jistgħu jservu bħala l-bażi għall-ħolqien ta' modifiki ġodda tat-teknika SLM pulsata.
Liu, Y. et al. Evoluzzjoni mikrostrutturali u proprjetajiet mekkaniċi ta' kompożiti in situ TiB2/AlSi10Mg permezz ta' tidwib selettiv bil-lejżer [J].J. Alloys.compound.853, 157287. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157287 (2021).
Gao, S. et al. Inġinerija tal-konfini tal-qamħ tar-rikristallizzazzjoni tat-tidwib selettiv bil-lejżer tal-azzar inossidabbli 316L [J]. Ġurnal tal-Alma Mater. 200, 366–377. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2020.09.015 (2020).
Chen, X. & Qiu, C. Żvilupp in situ ta' mikrostrutturi sandwich b'duttilità mtejba permezz ta' tisħin mill-ġdid bil-lejżer ta' ligi tat-titanju mdewba bil-lejżer.science.Rep. 10, 15870.https://doi.org/10.1038/s41598-020-72627-x (2020).
Azarniya, A. et al. Manifattura addittiva ta' partijiet Ti-6Al-4V permezz ta' depożizzjoni ta' metall bil-lejżer (LMD): proċess, mikrostruttura u proprjetajiet mekkaniċi. J. Alloys.compound.804, 163–191. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.04.255 (2019).
Kumara, C. et al. Immudellar mikrostrutturali tad-depożizzjoni tal-enerġija diretta bit-trab tal-metall bil-lejżer tal-Liga 718. Żid ma'.manufacture.25, 357–364.https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.11.024 (2019).
Busey, M. et al. Studju Parametriku ta' Immaġini ta' Bragg bit-Tarf tan-Newtroni ta' Kampjuni Manifatturati b'Mod Addittiv Trattati permezz ta' Peening b'Xokk bil-Laser.science.Rep. 11, 14919.https://doi.org/10.1038/s41598-021-94455-3 (2021).
Tan, X. et al. Mikrostruttura tal-gradjent u proprjetajiet mekkaniċi ta' Ti-6Al-4V iffabbrikat b'mod addittiv permezz ta' tidwib b'raġġ ta' elettroni. Alma Mater Journal. 97, 1-16. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.036 (2015).