Mecanismo de proyección de la fabricación aditiva por fusión de lecho de polvo láser en superficies heterogéneas

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 20384 (2022) Citar este artículo

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La fabricación aditiva en polvo láser (PBF-LB) es un método de fabricación aditiva capaz de producir piezas totalmente densas y de alta precisión. Sin embargo, la garantía de calidad no destructiva y sin defectos internos sigue siendo un desafío. Mitigar los defectos internos requiere dilucidar su mecanismo de formación y mejorar las condiciones del proceso PBF-LB. Por lo tanto, desarrollamos un sistema de monitoreo in situ que combina la medición de la morfología de la superficie mediante proyección de franjas y la medición del campo térmico con una cámara de alta velocidad. En superficies heterogéneas en un proceso práctico PBF-LB de múltiples pistas, el índice de rugosidad de la superficie de la pieza construida se alteró cíclicamente, de manera consistente con el cambio en el ángulo entre el escaneo láser y el flujo de gas atmosférico. El seguimiento con cámara de alta velocidad mostró que el baño de fusión era asimétrico y tenía forma de huso y que las salpicaduras salían principalmente del lado construido del baño de fusión. Además, se descubrió que la morfología de la superficie de la pieza construida debajo de la capa de polvo afectaba la estabilidad del baño de fusión. Como resultado, se propuso una representación gráfica del baño de fusión y las salpicaduras para superficies heterogéneas. Aunque todavía es difícil estimar teóricamente la ventana del proceso en la que no hay salpicaduras ni defectos internos, el equipo de monitoreo in situ proporcionará conocimientos para dilucidar la formación de salpicaduras y defectos internos.

La fabricación aditiva por fusión de lecho de polvo láser (PBF-LB) se aplica ampliamente en las industrias aeroespacial1,2 y médica3,4. Sin embargo, el proceso PBF-LB tiene varias limitaciones relacionadas con el deterioro de la calidad de los productos causado por microdefectos internos y la garantía de una fabricación estable del producto. El proceso PBF-LB produce modelos 3D mediante la compilación de lechos de polvo irradiados con láser. Un lecho de polvo es una capa de polvo formada por una nueva capa de polvo y luego se irradia un láser para fundir la capa de polvo y crear una sección 2D del modelo 3D. PBF-LB requiere el control de varios parámetros en términos de características del polvo5,6, repintado del polvo y procesos de construcción7,8. Más precisamente, las condiciones de repintado del polvo y las características del polvo, incluyendo la distribución del tamaño de las partículas del polvo y la fluidez del polvo, afectan las características del lecho de polvo, por ejemplo, la uniformidad del espesor de la capa de polvo, la densidad de la capa de polvo y la rugosidad de la superficie. Aunque las condiciones del proceso de construcción, por ejemplo, la irradiación láser y las condiciones atmosféricas, son las mismas, el material construido puede contener defectos internos cuando las características del lecho de polvo son diferentes. Por lo tanto, se requiere el efecto de las características del lecho de polvo en el proceso de fusión durante el escaneo láser para garantizar la calidad de los productos finales9,10,11,12.

Investigaciones recientes sobre el monitoreo in situ del lecho de polvo y la superficie de la pieza construida se centraron en aclarar el mecanismo de formación de defectos13,14,15,16,17,18,19,20. Se propusieron la proyección de patrones16, la detección de visión y la interferometría de baja coherencia18 para cuantificar la morfología de la superficie de las piezas construidas21. Sin embargo, la morfología de la superficie del lecho de polvo no se ha observado ni informado suficientemente.

Además, las investigaciones existentes se centraron en el mecanismo de formación de defectos durante el proceso PBF-LB y se están desarrollando técnicas de seguimiento para garantizar la fabricación estable de productos de alta calidad13,14,15,16,17,18. El mecanismo de formación de defectos causados por agujeros de cerradura y salpicaduras se ha investigado utilizando una cámara de alta velocidad8,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34 y un microsincrotrón X. -tomografía computarizada de rayos (μSXCT)35,36,37,38,39,40,41. Se informaron observaciones sobre el comportamiento de salpicaduras y charcos de fusión para la pista láser única sobre un lecho de polvo42,43,44,45,46,47,48,49,50; sin embargo, estas observaciones no explican adecuadamente el escaneo láser práctico realizado durante el proceso PBF-LB. La mayoría de las investigaciones se han realizado para una única pista láser sobre la superficie uniforme del lecho de polvo. Sin embargo, el proceso práctico utiliza múltiples pistas; cada láser escanea una línea con una superficie de capa de polvo en un lado y la superficie de la parte sólida construida mediante un escaneo láser previo en el otro. Una superficie con una capa de polvo y una superficie de parte sólida se denomina superficie heterogénea en esta investigación. Hasta donde saben los autores, no existen informes sobre la calificación sistemática del comportamiento de las salpicaduras y los charcos de fusión en la superficie heterogénea.

Por lo tanto, esta investigación tiene como objetivo aclarar el proceso de formación y fusión del lecho de polvo durante el escaneo láser en una superficie heterogénea. Además, se desarrolla un sistema de seguimiento in situ para el aseguramiento de la calidad de los productos finales fabricados con PBF-LB.

En la figura complementaria S1 se muestra una superficie representativa de una muestra construida en condiciones para una fabricación completamente densa. La imagen SEM muestra una trayectoria de rayo láser relativamente regular y salpicaduras depositadas. La imagen de la morfología de la superficie medida mediante interferometría de barrido de coherencia (sistema ZYGO New View™ 9000 CSI) indica que la altura de las salpicaduras es de alrededor de 100 µm. Aunque estas imágenes muestran la superficie final de la muestra, el sistema de monitoreo de capas registra las superficies durante la fabricación (Fig. 1). La Figura 1a muestra imágenes de seguimiento de la morfología de la superficie del lecho de polvo y la parte construida desde la capa 1250 a la 1256.

Cambio en las imágenes de seguimiento de las morfologías superficiales del lecho de polvo y de la parte construida. (a) Cambio en la morfología de la superficie del lecho de polvo y de la pieza construida en esas condiciones; \(P\) = 200 W, \(v\) = 665 mm/s, \(h\) = 0,1 mm, \(z\) = 0,05 mm y \(E\) = 30,1 J/mm3) desde la capa 1250 a la 1256. (b) Los valores de 2σ del lecho de polvo y la parte construida desde la capa 1249 a la 1270. El ángulo de escaneo es el ángulo con respecto a la línea vertical, que va de arriba a abajo en las imágenes de la superficie.

Primero se formó el lecho de polvo en cada capa y luego el escaneo láser fabricó la superficie de la pieza construida. Por tanto, las imágenes de seguimiento de la superficie del lecho de polvo eran verdes sobre la superficie, lo que indicaba una superficie casi uniforme. Sin embargo, las imágenes de seguimiento de la superficie construida contenían puntos rojos y azules. Esos puntos dispersos indicaron los picos agudos con una altura de + 100 µm y los valles con una profundidad de −100 µm distribuidos de forma aleatoria e independiente. Sugirieron que la superficie de la pieza construida se raspara mediante escaneo láser en la superficie uniforme del lecho de polvo.

El valor 2σ de la superficie del lecho de polvo fue casi constante en aproximadamente 10 µm (Fig. 1b). Sin embargo, el valor 2σ de la superficie de la parte construida cambió con el progreso en el número de capas y varió entre 60 y 90 µm; los valores máximo y mínimo se observaron en cada sexta capa. El período de cambio del valor 2σ de la parte construida coincidió con el período de cambio en el ángulo entre la dirección de exploración y el flujo de gas atmosférico.

La observación macroscópica del escaneo láser utilizando una cámara CCD sugiere la dirección de las salpicaduras (Fig. 2). En las condiciones actuales del proceso, las salpicaduras se dispersaron principalmente desde el lado de la parte construida. Por el contrario, desde el lado del lecho de polvo, las salpicaduras tendían a emitirse en dirección vertical sobre el baño de fusión y eran arrastradas por el flujo de gas atmosférico, aunque las salpicaduras no se producían mucho.

Imagen de cámara CCD de escaneo láser sobre el polvo.

El sistema de monitoreo del baño de fusión de alta velocidad captura esta tendencia a las salpicaduras microscópicamente (Fig. 3 y videos complementarios 1 y 2). En la imagen del campo de temperatura in situ, un lado de la dirección de escaneo es el lado del lecho de polvo y el otro es el lado de la pieza construida. La parte verde indica temperaturas superiores a la temperatura líquida de la aleación Inconel 718 (1336 °C); el área con forma de huso representa el baño de fusión. La temperatura de la zona de color marrón oscuro en forma de C en la proa del baño de fusión superó los 2.000 °C. El centro del punto láser cayó sobre el área central hueca y amarilla rodeada por el área marrón oscuro, que se considera la boca del ojo de la cerradura.

Imágenes de un charco de deshielo captadas por el aparato de seguimiento. ( a ) Morfología representativa del baño de fusión. (b) Imágenes secuenciales del comportamiento del baño de fusión en una superficie con un valor \(2\sigma\) relativamente más bajo de la capa 1250 de la muestra construida fabricada en las condiciones (\(P\) = 200 W, \(v \) = 665 mm/s, \(h\) = 0,1 mm, \(z\) = 0,05 mm y \(E\) = 30,1 J/mm3). (c) Imágenes secuenciales del comportamiento del charco de fusión en una superficie relativamente rugosa de la capa 1254 del espécimen construido fabricado en las condiciones. El tiempo \({t}_{n}\) es \(n\times 100\) ns después del primer cuadro; \(n=0\).

Además, aparecieron pequeñas partículas calientes detrás de la cola del baño de fusión y del lado de la parte construida; estas fueron las salpicaduras.

La longitud y el ancho del baño de fusión se midieron a la temperatura líquida de la aleación Inconel 718 (1336 °C), y los valores fueron 400–600 µm y 1250–1600 µm, respectivamente.

Las salpicaduras se produjeron desde la punta y el borde lateral del baño de fusión y luego fueron expulsadas desde el lado de la parte construida y la cola del baño de fusión. El espesor del lecho de polvo varía localmente cuando una superficie de pieza construida con un valor \(2\sigma\) más alto se encuentra debajo de una superficie del lecho de polvo con un valor \(2\sigma\) más bajo. La variación local del espesor puede cambiar localmente el volumen del baño de fusión y cambiar rápidamente las dimensiones del baño de fusión y las salpicaduras.

El sistema de monitoreo in situ mostró la irregularidad del baño de fusión en el punto de giro, donde la dirección del escaneo láser giró 180°. Este punto corresponde al borde de las piezas o al borde del dominio del patrón de escaneo. Las imágenes de series temporales del charco de fusión en el punto de inflexión en las capas 1250 y 1254 se muestran en la Fig. 4 y los videos complementarios 3 y 4, respectivamente.

Imágenes secuenciales del comportamiento del baño de fusión en el punto de giro del láser de (a) capa 1250 y (b) capa 1254 de la muestra fabricada en las condiciones (\(P\) = 200 W, \(v\) = 665 mm /s, \(h\) = 0,1 mm, \(z\) = 0,05 mm y \(E\) = 30,1 J/mm3). El tiempo \({t}_{n}\) es \(n\times 100\) ns después del primer cuadro; \(n=0\).

Un charco de fusión asimétrico delgado viaja en \({t}_{0}\) y \({t}_{1}\) y se ensancha en el punto de inflexión, \({t}_{2}\). Luego, el charco de fusión adquiere una forma casi redonda en \({t}_{3}\) y posteriormente forma una forma asimétrica delgada. Las capas 1250 y 1254 revelaron una tendencia similar a pesar de las diferentes rugosidades de la superficie construida. La región recién derretida se fusionó con el charco de derretimiento anterior formado antes de darse la vuelta; por lo tanto, el ancho del charco de deshielo casi se duplicó. El último charco derretido se enfrió para solidificarse rápidamente, pero el nuevo escaneo aún viajó una distancia corta, y luego el charco derretido adquirió una forma casi redonda. Hooper51 informó sobre la ampliación del baño de fusión en el punto de inflexión del Ti–6Al–4 V; Los resultados actuales concuerdan con sus hallazgos.

Las fuertes salpicaduras en el punto de inflexión también se observaron mediante el sistema de seguimiento in situ. Se encontró una gran salpicadura en el lado de la parte construida y la forma del contorno del baño de fusión se vio muy alterada, que posiblemente contenía salpicaduras y masa fundida que se estaba desprendiendo. Sin embargo, poco tiempo después del punto de inflexión, no se emitieron salpicaduras a pesar de la formación de agujeros de cerradura debido a que el desarrollo de una presión de retroceso insuficiente para superar la tensión superficial de la masa fundida. Luego, en el barrido de retorno, el charco de derretimiento creció y comenzó a salpicar nuevamente hacia el lado de la pieza construida.

Además, el análisis numérico confirmó el aumento del depósito de fusión. La Figura 5a muestra el cambio de forma del baño de fusión alrededor del punto de giro entre las pistas tercera y cuarta. El ancho estimado del charco de fusión se amplió aproximadamente 1,6 veces después de girar (Fig. 5b). La profundidad del charco de deshielo también se profundizó aproximadamente 1,2 veces, aunque no se puede medir mediante observación utilizando el sistema de monitoreo in situ (Fig. 5c). Incluso una vez que la irradiación láser se detuvo en el punto de inflexión, el charco de fusión permaneció y su longitud fue de al menos 400 µm (Fig. 5d). Sin embargo, el análisis numérico subestima la profundidad del charco de fusión. Como se indica en la Fig. 6, la pista láser penetra más de tres capas previas en el punto de giro.

Distribución de temperatura del proceso PBF-LB para Inconel 718. (a) Distribución de temperatura de la superficie, (b) Piscina de fusión alrededor del punto de inflexión del escaneo láser. (c) La profundidad y (d) el ancho del baño de fusión.

Microestructura de la muestra en el borde (punto de giro del láser).

Así, el sistema de seguimiento in situ reveló el drástico cambio de forma en el charco de fusión y las fuertes salpicaduras alrededor del punto de inflexión. Un análisis numérico más sofisticado puede estimar las fuertes salpicaduras alrededor del punto de inflexión.

El sistema de monitoreo de la morfología de la superficie revela que cada superficie del lecho de polvo tiene un valor \(2\sigma\) más bajo. Sin embargo, su subsuperficie, es decir, la superficie de la pieza previamente construida, tiene el valor \(2\sigma\) más alto y el valor varía según las capas. Debido a que las muestras se fabricaron en condiciones para una fabricación completamente densa, se emitieron pocas salpicaduras grandes y se formaron trayectorias de haz moduladas de manera relativamente regular. El proceso de recubrimiento en polvo enterró esas irregularidades. Como reflejo de tales salpicaduras y modulación, el valor 2σ de la superficie de la parte construida varió entre 60 y 90 µm. Aunque el ajuste de la máquina para el espesor del lecho de polvo fue \(z\) = 50 µm, se estimó que el espesor efectivo del lecho de polvo fue \(z/\varepsilon\) = 83 µm, donde la densidad aparente del polvo fue \( \varepsilon \approx\) 0.6 (Material Suplementario). El espesor efectivo de la capa fue suficiente para enterrar la mayor parte de las irregularidades de la superficie de la parte construida. Así, el valor 2σ del lecho de polvo, aproximadamente 10 µm, era comparable a la diferencia entre el valor máximo 2σ de la parte construida, aproximadamente 90 µm, y el espesor de capa real, 83 µm.

La rugosidad de la superficie de la pieza construida no fue aleatoria sino que fue introducida por la dirección del escaneo. Como se muestra en la Fig. 1b, el cambio periódico en el valor 2σ de la superficie de la parte construida refleja un ángulo entre la dirección de exploración y el flujo de gas atmosférico; bajo para el viento cruzado o flujo de gas perpendicular y alto para el viento de cara/cola o flujo de gas paralelo. El viento cruzado enfría uniformemente toda la superficie del charco de deshielo desde la cabeza hasta la cola; entonces, el baño de fusión es estable y forma una superficie con un valor \(2\sigma\) relativamente más bajo (Figura complementaria S2). Por el contrario, el viento de frente o de cola enfría el charco de deshielo de manera desigual. El viento en contra enfría primero la parte de la cabeza para disminuir el calor de entrada y reducir todo el charco de deshielo, y el viento de cola enfría primero la parte de la cola para acortar el charco de deshielo. Debido a que se forman dos tipos de charcos de fusión en una capa para el caso de viento de cara/cola, el valor \(2\sigma\) de la superficie de la parte construida se vuelve más alto.

El sistema de monitorización de alta velocidad del comportamiento del baño de fusión revela la forma asimétrica del baño de fusión en la superficie heterogénea, formada por el lecho de polvo por un lado y la pista láser anterior por el otro. La conductividad térmica del lecho de polvo es menor que la de la pista láser23,24. Esta diferencia hace que la forma del baño de fusión sea asimétrica en la dirección de exploración. El monitoreo in situ en investigaciones anteriores52,53 indica que la forma del baño de fusión es simétrica debido al escaneo láser de una sola pista, lo que significa que en ambos lados de la dirección de escaneo está el lecho de polvo. Sin embargo, nuestra observación fue para el escenario práctico, en el que el lecho de polvo y la parte construida estaban en lados diferentes. Estas condiciones superficiales heterogéneas conducen a un baño de fusión asimétrico.

La combinación de los datos de monitoreo de la morfología de la superficie y la imagen de monitoreo de alta velocidad sugiere la relación entre la superficie de la parte construida y la estabilidad del baño de fusión. El lecho de polvo de la capa 1250 se forma sobre la parte construida de la capa 1249 con una morfología superficial de 2σ = 65 µm; las dimensiones del baño de fusión de la capa 1250 son estables y una salpicadura generada en la punta del baño de fusión evoluciona y se expulsa (Fig. 3b). Por el contrario, las dimensiones del baño de fusión de la capa 1254 son mayores que las de la capa 1250 e inestables (Fig. 3c). El lecho de polvo número 1254 se forma sobre la superficie rugosa de la parte construida de la capa 1253 con 2σ = 80 µm. Las salpicaduras se producen desde la punta y el borde lateral del baño de fusión y son expulsadas desde el lado de la parte construida y la cola del baño de fusión. El espesor del lecho de polvo varía localmente cuando una superficie rugosa de una pieza construida se encuentra debajo de la superficie del lecho de polvo. La variación local del espesor puede cambiar el volumen del baño de fusión localmente y provocar un cambio rápido en las dimensiones del baño de fusión y las salpicaduras. Por lo tanto, la rugosidad heterogénea de la superficie y el subsuelo afecta las dimensiones del baño de fusión; sin embargo, es una premisa fundamental que las condiciones de fabricación influyen principalmente en ellas.

Hay que mencionar el posible error de medición. En primer lugar, la columna emitida por el punto láser puede provocar un error de medición. Hooper señaló que el efecto de la columna de humo caliente emitida por el charco de deshielo amplía el valor de anchura observado51. Por lo tanto, el ancho de Hooper es más amplio que el medido ópticamente a partir de la sección transversal del espécimen. En esta investigación, la temperatura en la boca del ojo de la cerradura era más baja que el área circundante en forma de C (Fig. 3). Esta zona podría estar cubierta por la columna de humo, cuya parte superior estaba a una temperatura más baja. La columna de humo ocultó la superficie interior del ojo de la cerradura, que estaba a alta temperatura53. En el caso del acero inoxidable, las salpicaduras y el penacho apenas se producen con una potencia de láser de 400 W y una velocidad de escaneo de 400-500 mm/s49. La velocidad de escaneo en el presente estudio, 665 mm/s, se consideró mayor para emitir una columna; sin embargo, el monitoreo in situ sugiere la emisión de penacho. Además, la limitación del rango de temperatura del termovisor puede provocar un error de medición. Una longitud más corta del baño de fusión puede deberse a la imposibilidad de medir en la región de temperatura más baja correspondiente a la cola del baño de fusión debido a la prioridad de medición en el área de alta temperatura.

El sistema de monitoreo in situ de alta velocidad reveló la forma asimétrica de la piscina derretida y las salpicaduras laterales de la parte construida en la superficie heterogénea, lo que se adapta al escenario práctico pero no se ha informado en investigaciones anteriores, según el conocimiento del autor. . La morfología de la superficie de la pieza construida y el ángulo de dirección de escaneo con respecto al flujo de gas atmosférico afectan la estabilidad del baño de fusión. También afectan las salpicaduras. Por tanto, la densidad del material fabricado se puede juzgar controlando la estabilidad del baño de fusión y las salpicaduras. En esta investigación, el charco de deshielo no estabilizado se recupera, y se considera que se debe a las condiciones de plena densidad contratada. Por el contrario, el baño de fusión será inestable en condiciones de fabricación de baja densidad. Además, la combinación con la posición del láser, la repentina inestabilidad del baño de fusión y las intensas salpicaduras provocarán defectos locales, y el índice de morfología de la superficie puede informar la idoneidad de las condiciones de fabricación. Dado que la emisión de penacho interfiere con la medición de las dimensiones del baño de fusión y puede afectar el control de la estabilidad del baño de fusión, sería mejor controlar las salpicaduras.

Consideremos el caso opuesto; Si se estabiliza un baño de fusión, se mitigan las salpicaduras, la superficie de una pieza construida se convierte en un pequeño índice de rugosidad, se logran las condiciones de fabricación completamente densas y se espera que el material construido esté libre de defectos. El sistema de monitoreo desarrollado en la presente investigación puede confirmar la mitigación de las salpicaduras. Las salpicaduras y la morfología de la superficie de la pieza construida se afectan entre sí y pueden ser equivalentes para comprobar la idoneidad de los parámetros; Las salpicaduras intensas provocan una superficie rugosa de la pieza construida y viceversa. Por lo tanto, se deben mitigar las salpicaduras para lograr condiciones con una fabricación completamente densa.

Comprender el mecanismo de salpicaduras dará una pista para mitigar las salpicaduras en superficies heterogéneas. Young et al.39 investigaron el mecanismo de salpicaduras en un lecho de polvo homogéneo utilizando imágenes de rayos X in situ de alta velocidad y alta energía. Además, las salpicaduras se clasifican en cinco estilos según el mapa de potencia del láser versus velocidad de escaneo: salpicaduras sólidas, salpicaduras de chorro metálico, salpicaduras de aglomeración de polvo, salpicaduras de fusión por arrastre y salpicaduras inducidas por defectos. Su aparato de imágenes de rayos X limita la configuración experimental del lecho de polvo; por tanto, la configuración es diferente de la del proceso práctico PBF-LB en el que una única pista láser escanea sobre un lecho de polvo con un espesor de 100 µm y un ancho de 0,5 mm. La clasificación del estilo de salpicadura y una explicación del mecanismo se pueden aplicar a este estudio aunque el mecanismo de salpicadura de Young et al. es para la dirección longitudinal del baño de fusión. Nuestros resultados pueden agregar una explicación para las salpicaduras en la dirección transversal del baño de fusión.

Los esquemas del comportamiento del baño de fusión y la formación de salpicaduras se muestran en la Fig. 7. La abrasión láser funde un lecho de polvo para formar un baño de fusión, lo que provoca la emisión de vapor metálico. La presión del vapor empuja la superficie fundida hacia abajo, creando una cavidad tipo ojo de cerradura36,37,38,39,41,52. Por encima de la superficie fundida, la columna de vapor se convierte en un chorro para inducir un flujo ascendente del gas circundante. El flujo de gas inducido hace que las partículas de polvo adyacentes a las pistas del láser se denuden. El polvo arrastrado se introduce en el baño de fusión y luego se expulsa en forma de salpicaduras30. Este efecto Bernoulli por chorros de vapor metálico se produce bajo alta presión atmosférica. Cuando la presión atmosférica es lo suficientemente baja como para que el transporte de gas atmosférico pueda considerarse un flujo molecular, el vapor metálico se expande localmente en el punto del rayo láser. El flujo de expansión empujó la partícula de polvo circundante hacia afuera, lo que resultó en denudación, como Manyalibo et al. explicado con el Kn número 54. A baja presión atmosférica, la presión de retroceso también es baja. Por lo tanto, se puede suprimir la emisión de salpicaduras. La circulación de gas atmosférico no es suficiente para reducir la presión y convertir el chorro de vapor en un flujo de expansión. Sin embargo, afecta la dirección de expulsión de las salpicaduras de alto vuelo.

Esquema del comportamiento del baño de fusión y formación de salpicaduras. (a) la sección transversal de la dirección de escaneo láser y (b) la sección longitudinal; La longitud del baño de fusión se acorta debido a limitaciones de espacio.

La forma del baño de fusión se vuelve asimétrica debido a la mayor conductividad térmica de la parte construida en comparación con el lecho de polvo. Las salpicaduras se producen desde el lado de la parte construida ampliando su baño de fusión. La cavidad en forma de cerradura tiene una sección transversal asimétrica; el lado del lecho de polvo es una pared parecida a un acantilado y el otro lado tiene una pendiente relativamente más suave. Por lo tanto, el chorro de la columna de la pared lateral del lecho de polvo sopla la masa fundida de la pendiente lateral de la parte construida para salpicar.

Como se indica en la Fig. 7b, la superficie inferior del lecho de polvo frente a la proa del baño de fusión es desigual y, a veces, se deposita una salpicadura o eyección relativamente grande. El volumen de fusión agregado por el avance del láser puede variar para provocar un cambio irregular en la forma del baño de fusión. Además, la pared interior de la cavidad de la cerradura se eleva casi verticalmente en la proa debido al avance del punto láser. En la popa, el muro se extiende de forma relativamente gradual. El chorro de vapor de metal sopla desde la pared interior de proa para arrancar la masa fundida de popa y salpicar31. Las salpicaduras se fusionan o se combinan con los polvos inflados para formar grandes eyecciones, como informaron Nassar et al.48; la eyección afecta considerablemente la configuración del baño de fusión. Además, se deben tener en cuenta los desniveles de la superficie de la parte construida.

Las condiciones de abrasión del láser pueden suprimir las salpicaduras; por ejemplo, Zhen et al.49 informaron que la débil generación de penacho provocaba ligeras salpicaduras en el escaneo láser sobre la capa de polvo de Inconel 718 con una potencia de láser de 400 W y una velocidad de escaneo de 400 a 500 mm/s. Además, Yin et al.50 propusieron un método para estimar las condiciones para suprimir las salpicaduras en un escaneo con láser de pulso. El momento en el que la superficie del metal comienza a hervir después del inicio de la abrasión láser cuando un rayo láser con un radio de 1/e2 tiene un tamaño de punto láser \({\omega }_{e}\) m y la potencia del láser \(P \) W desgasta una placa de metal, que es el llamado tiempo de permanencia para la ebullición \({t}_{ebullición}\), dado como

donde \({T}_{b}\), \(\alpha\), \(\kappa\) y \({A}_{p}\) representan la temperatura de ebullición y la difusividad térmica del metal fundido. , conductividad térmica y absortividad láser de la placa, respectivamente.

En el caso del escaneo láser en una dirección, la ebullición ocurre cuando el tiempo de permanencia para la ebullición es más corto que el tiempo para que el punto láser pase su longitud de tamaño de punto.

Las ecuaciones (1) y (2) proporcionan la velocidad máxima de escaneo para detener la ebullición, es decir,

o la presión mínima para hervir a una velocidad de escaneo de \(v\), es decir,

De la misma manera, la sustitución de la temperatura de fusión \({T}_{m}\) en lugar de \({T}_{b}\) produce la línea límite de fusión en el gráfico \(Pv\)

La gráfica \(vP\) con varios \({\omega }_{e}\) se muestra en la Fig. 8 en el caso de Inconel 718, donde \({A}_{p}\) = 0.30, \ ({T}_{b}\) = 3190 K, \(\alpha\) = 5,6 × 10−6 m2/s, y \(\kappa\) = 29,6 W/m·K. Los resultados para el tamaño de punto 1/e2 o \(2{\omega }_{e}\) = 100–200 µm. En la región del proceso entre las líneas continua y discontinua, se espera que el sustrato se funda sin hervir, lo que significa que no se forman agujeros ni ligeras salpicaduras.

Mapa del proceso de velocidad-potencia del láser de escaneo de la aleación Inconel 718. El radio del tamaño del punto láser es de 100 a 200 µm. (a) Ventana de proceso sin hervir el baño de fusión. (b) Ventana de proceso y condición de fabricación en el experimento.

En el estudio de Yin et al., como el tamaño del punto del láser era \(2{\omega }_{e}=\) 318 µm, las salpicaduras se podían suprimir en unas condiciones de fabricación adecuadas; potencia del láser \(P\) = 750 W y velocidad de escaneo \(v\) = 350 m/s (Fig. 8b). Las condiciones del presente trabajo (la potencia del láser \(P\) = 200 W, la velocidad de escaneo \(v\) = 665 mm/s) estaban mucho más allá de la línea de ebullición, y se esperaba que inevitablemente ocurrieran salpicaduras de acuerdo con la ecuación. (2) porque el diámetro del tamaño del punto láser \(2{\omega }_{e}\) es 100 µm. Sin embargo, estas condiciones de fabricación dan materiales con una alta densidad relativa. Además, el tamaño del punto de alrededor de \(2{\omega }_{e}\) = 100 µm se usa ampliamente en la práctica. Esta discrepancia sugiere que el tiempo para comenzar a salpicar después del inicio de la abrasión láser, \({t}_{spatter}\), es mayor que el tiempo de permanencia para la ebullición, \({t}_{boil}\),

Las ecuaciones (1) y (2) proporcionan las condiciones necesarias para las salpicaduras. El valor \({t}_{ebullición}\) es solo el tiempo de permanencia para la ebullición; por lo tanto, es posible que no salpique debido a una presión de retroceso insuficiente y al charco de fusión pequeño y poco profundo justo después del tiempo de permanencia28,31,55. Presumiblemente, en un gráfico \(vP\), una línea \({P}_{spatter}\left(v\right)\) está por encima de la línea \({P}_{boil}(v)\),

y se ampliará la ventana de condiciones sin salpicaduras. Sin embargo, la correspondiente ecuación. (1) para \({t}_{spatter}\) no se proporciona hasta el momento. Para obtener \({t}_{spatter}\) o \({P}_{spatter}\left(v\right)\), se requiere el criterio de las dimensiones del ojo de cerradura para salpicar. Por ejemplo, podría deducirse de la presión de retroceso descrita por la potencia del láser, la velocidad de escaneo y las propiedades térmicas del material. O el sistema de monitoreo in situ lo proporcionará según el experimento.

En resumen, para dilucidar y mitigar la formación de defectos internos del proceso PBF-LB, se observaron las salpicaduras en una superficie heterogénea, la capa de polvo en un lado y la superficie de la pieza construida en el otro a través de un sistema de monitoreo in situ recientemente desarrollado. La medición in situ de la morfología de la superficie reveló que el valor \(2\sigma\), que representa la rugosidad de la superficie de la pieza construida después del escaneo láser, se alteró cíclicamente con una amplitud de 60 a 90 μm, de acuerdo con el cambio. en el ángulo entre la dirección de escaneo del láser y el flujo de gas ambiental. El control in situ por cámara de alta velocidad mostró el charco de fusión asimétrico y las salpicaduras principalmente en el lado de la parte construida. Además, el baño de fusión se volvió estable cuando la superficie de la pieza previamente construida tenía un valor de 2σ más pequeño y, a la inversa, se volvió inestable cuando el valor era mayor. Con base en la observación, se proponen los esquemas del baño de fusión y de las salpicaduras para la superficie heterogénea formada por el escaneo láser multipista durante el proceso práctico PBF-LB. La consideración teórica para obtener la ventana del proceso sin condiciones de salpicaduras exige más investigaciones sobre la formación de agujeros de cerradura y criterios de salpicaduras además de la estimación del tiempo de ebullición realizada en esta investigación. Los aparatos de monitoreo in situ, como el que se muestra en esta investigación, respaldarán esas investigaciones.

En este estudio se desarrolló un sistema de monitoreo PBF-LB que puede realizar mediciones in situ de la morfología de la superficie del lecho de polvo y el comportamiento de fusión durante el escaneo láser. Este sistema comprende las partes de construcción, control y monitoreo (consulte la figura complementaria S3). La parte del edificio está equipada con un láser de fibra Yb monomodo de 1 kW y un escáner láser galvanómetro; la longitud de onda del láser de fibra es de 1070 nm y el diámetro del rayo láser, \(D\), definido por el criterio de intensidad 1/e2, es de 100 µm. El volumen de construcción capaz es de 150 mm de diámetro y 150 mm de altura.

El aparato de control comprende un sistema de control de capas y un sistema de control de piscina fundida de alta velocidad. Además, el sistema de seguimiento de capas es el sistema óptico de medición de la morfología de la superficie. La morfología de la superficie se mide mediante el método de proyección de franjas; está equipado con una cámara CCD (una cámara con un sensor de imagen de dispositivo de carga acoplada) y un proyector de patrones. El área de medición es toda la etapa de construcción, de 150 mm de diámetro. La resolución es de 80 µm/píxel en las direcciones horizontales de los ejes x e y y de 7 µm o menos en la dirección del eje z. La morfología de la superficie se mide antes y después del escaneo láser. En esta investigación, la morfología de la superficie del lecho de polvo es la forma de la superficie que podría medirse mediante el método de proyección del patrón de franjas. Esto significa que no se pudo medir el lado oscuro de las partículas y el agujero demasiado profundo.

En esta investigación, 2σ cuantifica la morfología de la superficie, representando el doble de la desviación estándar de los valores de posición z de los datos del grupo de puntos de la superficie. La posición en la dirección z de los datos del grupo de puntos es la diferencia con respecto al plano de mejor ajuste calculado mediante el método de mínimos cuadrados. El valor 2σ es igual al doble de la altura cuadrática media de la superficie, Sq;

Además, se calculan las diferencias mínima y máxima con respecto al plano de mejor ajuste; representan la profundidad y la altura del pico, respectivamente.

El sistema de monitoreo de alta velocidad del baño de fusión puede observar la imagen de distribución de temperatura del baño de fusión y los fenómenos asociados a lo largo de una trayectoria coaxial al escaneo del rayo láser. El sistema de monitoreo de piscinas derretidas de alta velocidad está equipado con un termovisor de dos colores. El termovisor consta de una cámara de alta velocidad (Photron FASTCAM SA-Z) y un sistema óptico insertado coaxialmente en el rayo láser para su procesamiento; por tanto, el centro del marco de visión (FOV) coincide con el centro del punto láser. El área FOV es 3,98 × 3,98 mm2 y su frecuencia de muestreo es 10 kHz; su rango de temperatura de medición es de 900 a 2000 °C. El rango de temperatura se selecciona para mejorar la resolución de medición para identificar el contorno del baño de fusión de la aleación Inconel 718. La temperatura del líquido indicó el contorno del charco de fusión; 1336 °C para la aleación Inconel 718. Además, el procesamiento de imágenes para cada cuadro produce el ancho y largo del baño de fusión y el número y tamaño de las salpicaduras.

De este modo, se observan el charco de fusión y las salpicaduras, y se mide la morfología de la superficie de cada capa para el lecho de polvo y la pieza construida.

Las muestras de barras redondas (diámetro = 10 mm y altura = 100 mm) se fabrican utilizando polvo de aleación Inconel 718 atomizado con gas (Carpenter Additive). Se espera que estas barras redondas se mecanicen en la forma del espécimen de prueba de tracción JIS tipo 14A especificada en JIS Z2241:2011. El diámetro promedio del polvo es de aproximadamente 42 µm y la densidad aparente es casi \(\varepsilon\) = 60%. Se forman dos mil capas con un espesor de \(z\) = 50 µm. Las condiciones incluyen potencia del láser \(P\) = 200 W, velocidad de escaneo \(v\) = 665 mm/s, ancho de trama \(h\) = 0,1 mm, espesor de capa \(z\)= 0,05 mm. Entonces la densidad de energía volumétrica es \({E}_{v}=P/vhz\) = 30,1 J/mm3, y la densidad de energía área \({E}_{a}=P/vD\) = 301 J/ cm2 donde \(D\) es el diámetro del rayo láser. El patrón de escaneo tiene forma de serpiente y las direcciones de escaneo se modifican 33º en cada capa. El gas nitrógeno fluye sobre la plataforma de construcción para reducir el contenido de oxígeno a <0,1%. Se espera que el flujo de gas suprima la oxidación de la superficie y elimine las salpicaduras y el penacho emitidos desde la superficie del charco de fusión. El sistema de monitorización registró en la imagen de capa la dirección del flujo de gas de arriba a abajo.

La muestra fabricada tiene un valor de densidad relativa del 100,00%. Esto significa que se fabrica el material completamente denso. Un material totalmente denso es un material sin defectos internos significativos definidos en ISO/ASTM 52,900:2015. El valor de la densidad relativa se mide mediante una tomografía computarizada de rayos X (Nikon XT H225) con una potencia de 100 W; el tamaño del vóxel es 39 × 39 × 39 µm3. El área medida es el centro de la muestra de barra redonda, de 10 mm de diámetro y 10 mm de altura. Además, la microestructura metalúrgica se observa ópticamente después del pulido y grabado de las muestras. Las irregularidades de la superficie, como salpicaduras caídas y adheridas y protuberancias relativamente grandes, se miden mediante interferometría de barrido de coherencia (sistema ZYGO New View™ 9000 CSI).

El cambio dimensional en el baño de fusión se estima mediante el análisis numérico de la conducción de calor transitoria con el polvo fundido y solidificado y el metal a granel utilizando el método de elementos finitos utilizando ANSYS MAPDL31. Las condiciones de análisis son las condiciones con fabricación completamente densa mencionadas anteriormente; la región de análisis contiene las cuatro pistas de escaneo láser.

Todos los datos experimentales se proporcionan en el manuscrito, o los materiales complementarios están disponibles del autor correspondiente a solicitud razonable.

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Este estudio forma parte de un proyecto encargado por el Ministerio de Economía, Comercio e Industria (METI) y la Organización de Desarrollo de Nuevas Energías y Tecnología Industrial (Proyecto NEDO No. P17002).

El trabajo contó con el apoyo de la Organización para el Desarrollo de Nuevas Energías y Tecnología Industrial (Proyecto NEDO No. P17002).

Instituto de Investigación de Tecnología Fundamental para la Próxima Generación, Universidad de Kindai, KURING, 1 Umenobe, Higashi Hiroshima, Hiroshima, 739-2116, Japón

Toshi-Taka Ikeshoji, Makiko Yonehara y Hideki Kyogoku

Asociación de Investigación Tecnológica para la Fabricación Aditiva del Futuro; TRAFAM, 1-10-4 Kajicho, Chiyoda-ku, Tokio, 101-0044, Japón

Toshi-Taka Ikeshoji, Makiko Yonehara y Hideki Kyogoku

Nikon Corporation, Shinagawa Intercity Tower C, 2-15-3, Konan, Minato-ku, Minato-Ku, Tokio, 108-6290, Japón

Chika Kato, Yuma Yanaga y Koki Takeshita

También puedes buscar este autor en PubMed Google Scholar.

T.-TI, MY y HK llevaron a cabo la conceptualización, metodología y validación y escribieron el manuscrito. HK proporcionó el concepto de figuras y bocetos. T.-TI proporcionó el concepto de figuras y preparó todas las figuras. MY, CK, YY y KT realizaron los experimentos. YY y KT prepararon el aparato experimental.

Correspondencia a Toshi-Taka Ikeshoji o Hideki Kyogoku.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Ikeshoji, TT., Yonehara, M., Kato, C. et al. Mecanismo de proyección de la fabricación aditiva por fusión de lecho de polvo láser en superficies heterogéneas. Representante científico 12, 20384 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-24828-9

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Recibido: 08 de septiembre de 2022

Aceptado: 21 de noviembre de 2022

Publicado: 27 de noviembre de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-24828-9

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