Mecanismo de respingos da fabricação aditiva de fusão de leito de pó a laser em superfícies heterogêneas

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 20384 (2022) Cite este artigo

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A fabricação aditiva de pó a laser (PBF-LB) é um método de fabricação aditiva capaz de produzir peças de alta precisão e totalmente densas. No entanto, a garantia de qualidade não destrutiva de nenhum defeito interno permanece desafiadora. Mitigar defeitos internos requer elucidar seu mecanismo de formação e melhorar as condições do processo PBF-LB. Portanto, desenvolvemos um sistema de monitoramento in-situ que combina a medição da morfologia da superfície por projeção de franja e medição do campo térmico com uma câmera de alta velocidade. Em superfícies heterogêneas em um processo prático de PBF-LB multipista, um índice de rugosidade da superfície da peça construída é alterado ciclicamente, consistente com a mudança no ângulo entre a varredura a laser e o fluxo de gás atmosférico. O monitoramento da câmera de alta velocidade mostrou que a poça de fusão era assimétrica e em forma de fuso e que os respingos eram emitidos principalmente do lado da parte construída da poça de fusão. Além disso, verificou-se que a morfologia da superfície da peça construída sob a camada de pó afetou a estabilidade da poça de fusão. Como resultado, foi proposta uma representação gráfica da poça de fusão e respingos para superfícies heterogêneas. Embora ainda seja difícil estimar teoricamente a janela do processo em que não há respingos e nem defeitos internos, o equipamento de monitoramento in-situ fornecerá conhecimento para elucidar a formação de respingos e defeitos internos.

A fabricação aditiva de fusão de leito de pó a laser (PBF-LB) é amplamente aplicada nas indústrias aeroespacial1,2 e médica3,4. No entanto, o processo PBF-LB possui várias limitações relacionadas à deterioração da qualidade dos produtos causada por microdefeitos internos e à garantia de fabricação estável do produto. O processo PBF-LB produz modelos 3D compilando leitos de pó irradiados a laser. Um leito de pó é uma camada de pó formada por um revestimento em pó e, em seguida, um laser irradia para derreter a camada de pó para criar uma seção 2D do modelo 3D. O PBF-LB requer o controle de vários parâmetros em termos de características do pó5,6, revestimento em pó e processos de construção7,8. Mais precisamente, as condições de revestimento do pó e as características do pó, incluindo distribuição de tamanho de partícula de pó e fluidez do pó, afetam as características do leito do pó, por exemplo, uniformidade da espessura da camada de pó, densidade da camada de pó e rugosidade da superfície. Mesmo que as condições do processo de construção, por exemplo, irradiação de laser e condições atmosféricas, sejam as mesmas, o material construído pode conter defeitos internos quando as características do leito de pó são diferentes. Assim, o efeito das características do leito de pó no processo de fusão durante a varredura a laser é necessário para garantir a qualidade dos produtos finais9,10,11,12.

Pesquisas recentes sobre o monitoramento in-situ do leito de pó e da superfície da peça construída focaram no esclarecimento do mecanismo de formação de defeitos13,14,15,16,17,18,19,20. Projeção de padrão16, detecção de visão e interferometria de baixa coerência18 foram propostas para quantificar a morfologia da superfície das peças construídas21. No entanto, a morfologia da superfície do leito de pó não foi observada e suficientemente relatada.

Além disso, pesquisas existentes focaram no mecanismo de formação de defeitos durante o processo PBF-LB, e técnicas de monitoramento estão sendo desenvolvidas para garantir a fabricação estável de produtos de alta qualidade13,14,15,16,17,18. O mecanismo de formação de defeitos causados ​​por buracos de fechadura e respingos foi investigado usando uma câmera de alta velocidade8,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34 e micro-síncrotron X tomografia computadorizada de raios (µSXCT)35,36,37,38,39,40,41. Observações sobre o comportamento de respingos e poças de fusão foram relatadas para a faixa única de laser em um leito de pó42,43,44,45,46,47,48,49,50; no entanto, essas observações não explicam adequadamente o escaneamento a laser prático realizado durante o processo PBF-LB. A maioria das pesquisas foi conduzida para uma única trilha de laser na superfície uniforme do leito de pó. No entanto, o processo prático usa várias trilhas; cada laser varre uma linha com uma superfície de camada de pó de um lado e a superfície da parte sólida construída por uma varredura a laser anterior do outro. Uma superfície com uma camada de pó e uma superfície de parte sólida é chamada de superfície heterogênea nesta pesquisa. Para o conhecimento dos autores, não há relatos sobre a qualificação sistemática do comportamento de respingos e poças de fusão na superfície heterogênea.