Под руководством Ляньи Чена, доцента кафедры машиностроения Калифорнийского университета в Мэдисоне, команда обнаружила механизмы и определила условия обработки, которые могут привести к значительному сокращению числа дефектов. Исследователи подробно изложили свои выводы в статье, опубликованной 16 ноября 2024 года в Международный журнал по станкостроению и производству.

"Предыдущие исследования, как правило, были сосредоточены на устранении одного типа дефектов, но это потребовало бы использования других методов для устранения остальных типов дефектов", - говорит Чен. "Основываясь на обнаруженных нами механизмах, мы разработали подход, который позволяет устранить все дефекты - поры, шероховатости поверхности и крупные брызги - одновременно. Кроме того, наш подход позволяет нам изготавливать детали намного быстрее без каких-либо потерь качества".

Многие отрасли промышленности, включая аэрокосмическую, медицинскую и энергетическую, проявляют все больший интерес к использованию аддитивного производства, также известного как 3D-печать, для изготовления металлических деталей сложной формы, которые трудно или невозможно создать обычными методами.

Но главная проблема заключается в том, что металлические детали, созданные с помощью аддитивного производства, имеют дефекты, такие как поры или "пустоты", шероховатые поверхности и крупные брызги, которые значительно снижают надежность и долговечность готовой детали. Эти проблемы с качеством не позволяют использовать детали, напечатанные на 3D-принтере, в критически важных приложениях, где отказ невозможен.

Разработка команды UW-Madison, позволяющей одновременно повысить качество деталей и производительность производства, может привести к широкому внедрению в промышленность технологии лазерного наплавления в порошковом слое.

Лазерное наплавление в порошковом слое использует высокоэнергетический лазерный луч для расплавления и сплавления тонких слоев металлического порошка, создавая деталь слой за слоем снизу вверх. В этом исследовании команда Калифорнийского университета в Мэдисоне использовала инновационный лазерный луч кольцевой формы, поставляемый ведущей лазерной компанией nLight, вместо обычного луча гауссовой формы.

Кольцеобразный лазерный луч сыграл ключевую роль в этом прорыве, как и критические эксперименты "на месте", говорит Цзяньдун Юань, ведущий автор статьи и аспирант группы Чэня.

Чтобы посмотреть, как ведет себя материал внутри детали во время печати, исследователи обратились к усовершенствованному источнику фотонов - ультраяркому, высокоэнергетическому синхротронному рентгеновскому оборудованию Аргоннской национальной лаборатории. Объединив высокоскоростную синхротронную рентгеновскую визуализацию, теоретический анализ и численное моделирование, исследователи выявили механизмы устранения дефектов, которые включают явления, снижающие нестабильность в процессе лазерного наплавления слоя порошка.

Исследователи также продемонстрировали, что они могут использовать кольцеобразный луч для более глубокого проникновения в материал, не вызывая нестабильности в процессе. Это позволило им печатать более толстые слои, повышая производительность производства. "Поскольку мы поняли основные механизмы, лежащие в их основе, мы смогли быстрее определить правильные условия обработки для изготовления высококачественных деталей с использованием кольцеобразной балки", - говорит Чен.

Ляньи Чен - доцент кафедры машиностроения университета Куо К. и Синди Ф. Ванг.

Среди сотрудников UW-Madison - Цилинь Го, Луис Эскано, Али Набба, Минглей Ку, Джунье Хуан, Цинъюань Ли, Аллен Джонатан Роман и профессор Тим Оссвальд. Сэмюэл Кларк и Камель Феззаа из Аргоннской национальной лаборатории также участвовали в этом проекте.

Эта работа была поддержана Национальным научным фондом и Исследовательским фондом выпускников университета Висконсин.