Nieuwe etstechniek verbetert het absorptievermogen van poeders voor 3D-printen van metaal

In een aanzienlijke vooruitgang op het gebied van metaaladditieve productie hebben onderzoekers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) en hun academische partners een techniek ontwikkeld die de optische absorptie van metaalpoeders die bij 3D-printen worden gebruikt, verbetert.

De aanpak, waarbij oppervlaktekenmerken op nanoschaal op metaalpoeders worden gecreëerd, belooft volgens onderzoekers de efficiëntie en kwaliteit van geprinte metalen onderdelen te verbeteren, vooral voor uitdagende materialen zoals koper en wolfraam.

Additive manufacturing (AM) – beter bekend als 3D-printen – heeft de manier veranderd waarop producten worden ontworpen en geproduceerd, waardoor complexe geometrieën en op maat gemaakte componenten kunnen worden gecreëerd die traditionele productiemethoden moeilijk kunnen verwezenlijken.

Een van de hardnekkige uitdagingen bij het 3D-printen van metaal met laserpoederbedfusie (LPBF) is echter de hoge reflectiviteit van bepaalde metalen, wat kan leiden tot inefficiënte energieabsorptie tijdens het printproces en zelfs sommige printmachines kan beschadigen. Deze inefficiëntie resulteert volgens onderzoekers vaak in een ontoereikende printkwaliteit en een verhoogd energieverbruik.

Dit probleem aanpakken in een onderzoek gepubliceerd als de septemberomslag van het tijdschrift Wetenschappelijke vooruitgangheeft het team onder leiding van wetenschappers van LLNL, Stanford University en de University of Pennsylvania een nieuw natchemisch etsproces geïntroduceerd dat het oppervlak van conventionele metaalpoeders modificeert. Door groeven en texturen op nanoschaal te creëren, meldden de onderzoekers dat ze het absorptievermogen van deze poeders met wel 70% hebben verhoogd, waardoor een effectievere energieoverdracht tijdens het lasersmeltproces mogelijk is.

“Momenteel wordt met standaard commerciële lasergebaseerde machines hoogwaardige puur kopermetaal AM over het algemeen als onhaalbaar beschouwd”, zegt co-hoofdauteur en LLNL-materiaalwetenschapper Philip DePond. “Onze methode combineert de effecten van traditionele oppervlaktebehandelingen [that increase absorptivity] maar doet geen afbreuk aan de zuiverheid of materiaaleigenschappen van koper die het wenselijk maken, namelijk de hoge thermische en elektrische geleidbaarheid.

“Meer fundamenteel hebben we laten zien dat laser-poeder-interacties zich uitstrekken tot gebieden buiten de smeltpool. Dit is aangetoond in simulaties, vooral die van high-fidelity uitgevoerd bij LLNL, maar experimenteel niet echt gedetailleerd. We hebben aangetoond dat die interacties bestaan ​​en kunnen gunstig zijn voor het proces.”

De natetstechniek is relatief eenvoudig, maar zeer effectief, aldus onderzoekers. Het team dompelde metaalpoeders zoals koper en wolfraam onder in speciaal samengestelde oplossingen die selectief materiaal van het oppervlak verwijderen.

Dit proces resulteert in de vorming van ingewikkelde kenmerken op nanoschaal die het vermogen van het poeder om laserlicht te absorberen vergroten. Om de oppervlaktekenmerken van de geëtste poeders te karakteriseren, gebruikten de onderzoekers geavanceerde beeldvormingstechnieken, waaronder synchrotron-röntgennanotomografie, die gedetailleerde 3D-weergaven van de poederdeeltjes opleverde, waardoor het team de elektromagnetische invloed van de wijzigingen op nanoschaal kon analyseren en nauwkeurig modelleren.

Het team voerde uitgebreide experimenten uit om het mechanisme van verhoogde absorptievermogen aan de gemodificeerde poeders aan te tonen en toe te schrijven. Procesoptimalisatiestudies en uiteindelijk het printen van bulk- en complexe monsters werden uitgevoerd met behulp van op maat gemaakte LPBF-systemen die waren gehuisvest in het Advanced Manufacturing Laboratory van LLNL en het MIRILIS-laboratorium voor laser-materiaalinteractie.

Onderzoekers zeggen dat het verbeterde absorptievermogen van metaalpoeders een veelbelovende stap voorwaarts is in het verminderen van het energieverbruik in de productie, vooral omdat de vraag naar duurzamere en efficiëntere productieprocessen blijft groeien.

Een van de belangrijkste bevindingen van het team was dat ze zeer zuivere koper- en wolfraamstructuren konden printen met een lagere energie-input, minder dan 100 J/mm³ voor koper, wat rond het bereik ligt voor titanium- en roestvrij staallegeringen met een hoge dichtheid, en ~700 J/mm³ voor wolfraam ongeveer 1/3 minder energie dan doorgaans wordt gebruikt.

“In brede zin maken we het printen van koper mogelijk zonder het risico dat het AM-systeem zelf wordt beschadigd”, legt DePond uit. “Het procesparametervenster wordt ook breder, waardoor een grotere verscheidenheid aan scanomstandigheden kan worden onderzocht, wat vaak nodig is bij het printen van complexe geometrieën. Ten slotte heeft een handvol machinefabrikanten zelfs de moeite genomen om geheel nieuwe machines te creëren het verwerken van koper en andere sterk reflecterende materialen Deze blijken bijna het dubbele te kosten van een traditionele machine, dus de toegangsdrempel tot het printen van deze materialen is onbetaalbaar hoog.

De mogelijke toepassingen van de bevindingen kunnen een onmiddellijke impact hebben op de productie. Onderzoekers zeggen dat de mogelijkheid om met minder energie te printen niet alleen de operationele kosten verlaagt, maar ook de impact op het milieu van het productieproces minimaliseert en koper 3D-printen openstelt voor een geheel nieuw contingent producenten.

“Deze methode maakt het zelfs commerciële machines met een vrij laag laservermogen mogelijk om koper te printen, waardoor het proces wordt gedemocratiseerd en toegang wordt geboden tot een bredere gemeenschap”, zei Dan Flowers, leider van het Energy Security Program, en voegde eraan toe dat hij hoopt dat het werk de industrie in staat zal stellen beter gebruik te maken van de technologie. koper in geavanceerde productie.

“Van warmte-uitwisseling tot katalyse, efficiënter printen van koper ondersteunt de ontwikkeling van veel schone energie- en koolstofarme technologieën”, aldus Flowers. “De LLNL-gemeenschap en onze missie voor koolstofarme energie kunnen profiteren van deze mogelijkheid.”

Het verbeterde absorptievermogen en de verbeterde poederdynamiek zouden ook de productie van hoogwaardige gedrukte onderdelen met grotere relatieve dichtheden mogelijk kunnen maken. In hun experimenten bereikten de onderzoekers relatieve dichtheden tot 92% met de helft van de energie-input vergeleken met andere gedrukte kopercomponenten, en meer dan 99% met hogere energieën, wat wijst op het potentieel voor de productie van sterkere en duurzamere metalen onderdelen.

Het team wil vervolgens de effecten onderzoeken van nanotextuur op de elementaire menging van poeders, zoals materialen die doorgaans drastisch verschillende energieën nodig hebben om te smelten.