Mecanismo de salpicadura 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 de polvo láser (PBF-LB) es un método de fabricación aditiva capaz de producir piezas de alta precisión y totalmente densas. Sin embargo, la garantía de calidad no destructiva de 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 por proyección de franjas y la medición del campo térmico con una cámara de alta velocidad. En superficies heterogéneas en un proceso práctico de PBF-LB de múltiples pistas, un índice de rugosidad de la superficie de la pieza construida se alteró cíclicamente, de acuerdo con el cambio en el ángulo entre el escaneo láser y el flujo de gas atmosférico. El monitoreo de la cámara de alta velocidad mostró que el baño de fusión era asimétrico y en forma de huso y que las salpicaduras se emitían principalmente desde el lado de la parte construida del baño de fusión. Además, se encontró que la morfología de la superficie de la parte 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 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 conocimiento para dilucidar la formación de salpicaduras y defectos internos.

La fabricación aditiva de fusión de lecho de polvo por 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 un recubrimiento de polvo, y luego un láser irradia para derretir la capa de polvo para crear una sección 2D del modelo 3D. PBF-LB requiere el control de varios parámetros en términos de características del polvo5,6, recubrimiento en polvo y procesos de construcción7,8. Más precisamente, las condiciones del recubrimiento en polvo y las características del polvo, incluida la distribución del tamaño de las partículas 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 radiación láser y las condiciones atmosféricas, sean 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 control 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 partes construidas21. Sin embargo, la morfología de la superficie del lecho de polvo no se ha observado ni informado suficientemente.

Además, la investigación existente se centró en el mecanismo de formación de defectos durante el proceso PBF-LB y se están desarrollando técnicas de control para garantizar la fabricación estable de productos de alta calidad13,14,15,16,17,18. El mecanismo de formación de defectos causados por perforaciones 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 las salpicaduras y el baño de fusión para la pista láser única en 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 mayor parte de la investigación se ha realizado para una sola pista de láser en 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 pieza sólida construida por un escaneo láser anterior en el otro. Una superficie con una capa de polvo y una superficie de parte sólida se denomina superficie heterogénea en esta investigación. Según el conocimiento de los autores, no existen informes sobre la calificación sistemática del comportamiento de salpicaduras y charcos de fusión en la superficie heterogénea.

Por lo tanto, esta investigación tiene como objetivo aclarar la formación del lecho de polvo y el proceso de fusión 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 por interferometría de barrido de coherencia (ZYGO New View™ 9000 CSI System) indica que la altura de la salpicadura 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 la parte construida. (a) Cambio en la morfología de la superficie del lecho de polvo y la parte construida fabricada en la condición; \(P\) = 200 W, \(v\) = 665 mm/s, \(h\) = 0,1 mm, \(z\) = 0,05 mm y \(E\) = 30,1 J/mm3) de 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 de la línea vertical, que está de arriba hacia abajo en las imágenes de la superficie.

El lecho de polvo se formó primero 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 monitoreo 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 al azar e independientemente. Sugirieron que la superficie de la pieza construida se hizo rugosa mediante escaneo láser en la superficie uniforme del lecho de polvo.

El valor de 2σ de la superficie del lecho de polvo fue casi constante en aproximadamente 10 µm (Fig. 1b). Sin embargo, el valor de 2σ de la superficie de la pieza 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 usando una cámara CCD sugiere la dirección de las salpicaduras (Fig. 2). En las condiciones de proceso actuales, las salpicaduras se dispersaron principalmente desde el lado de la pieza construida. Por el contrario, desde el lado del lecho de polvo, la salpicadura tendía a emitirse en dirección vertical por encima del baño de fusión y era expulsada por el flujo de gas atmosférico, aunque la salpicadura no se producía mucho.

Imagen de la cámara CCD del escaneo láser en el polvo.

El sistema de monitoreo de la piscina derretida de alta velocidad captura esta tendencia de 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 exploración 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 liquidus de la aleación Inconel 718 (1336 °C); el área en forma de huso representa el baño de fusión. La temperatura del área de color marrón oscuro en forma de C en la proa de la piscina derretida superó los 2000 °C. El centro del punto láser cayó sobre el área central amarilla y hueca rodeada por el área marrón oscura, que se considera la boca del ojo de la cerradura.

Imágenes de un charco de fusión captadas por el aparato de monitoreo. ( 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 baño de fusión en una superficie relativamente rugosa de la capa 1254 de la muestra construida fabricada en las condiciones. El tiempo \({t}_{n}\) es \(n\times 100\) ns después del primer fotograma; \(n=0\).

Además, aparecieron pequeñas partículas calientes detrás de la cola de la piscina derretida y el lado de la parte construida; estas fueron las salpicaduras.

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

Las salpicaduras ocurrieron desde la punta y el borde lateral de la piscina de fusión y luego se expulsaron desde el lado de la parte construida y la cola de la piscina de fusión. El grosor del lecho de polvo varía localmente cuando una superficie de la pieza construida con un valor de \(2\sigma\) más alto se encuentra debajo de una superficie de lecho de polvo con un valor de \(2\sigma\) más bajo. La variación del espesor local puede cambiar el volumen del baño de fusión localmente 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 inflexión, donde la dirección del escaneo láser giró 180°. Este punto corresponde al borde de las piezas o al borde del dominio del patrón de exploración. Las imágenes de series temporales del baño 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 inflexión del láser de la (a) capa 1250 y (b) la capa 1254 de la muestra fabricada en la condición (\(P\) = 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 fotograma; \(n=0\).

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 derretido adquiere una forma casi redonda en \({t}_{3}\) y posteriormente forma una forma asimétrica esbelta. 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 fusión anterior formado antes de dar la vuelta; por lo tanto, el ancho del baño de fusión 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 para Ti–6Al–4 V; los presentes resultados concuerdan con sus hallazgos.

Las fuertes salpicaduras en el punto de inflexión también se observaron a través del sistema de monitoreo in situ. Se encontró una gran salpicadura en el lado de la parte construida, y la forma del contorno de la piscina derretida estaba muy alterada, lo que podría contener salpicaduras y desprendimiento de fusión. Sin embargo, poco tiempo después del punto de inflexión, no se emitieron salpicaduras a pesar de la formación del ojo de cerradura debido al desarrollo insuficiente de la presión de retroceso para superar la tensión superficial de la masa fundida. Luego, el charco derretido creció en el escaneo de retorno y comenzó a salpicar nuevamente hacia el lado de la parte construida.

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

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

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

Por lo tanto, el sistema de monitoreo in situ reveló el cambio drástico de forma en la piscina derretida 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 de \(2\sigma\) 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 los especímenes se fabricaron en condiciones para una fabricación completamente densa, se emitieron pocas salpicaduras grandes y se formaron trayectorias de haz moduladas con relativa regularidad. El proceso de recubrimiento en polvo enterró esas irregularidades. Como reflejo de tales salpicaduras y modulación, el valor 2σ de la superficie de la pieza construida varió entre 60 y 90 µm. Aunque el ajuste de la máquina del espesor del lecho de polvo era \(z\) = 50 µm, se estimó que el espesor efectivo del lecho de polvo era \(z/\varepsilon\) = 83 µm, donde la densidad aparente del polvo era \( \varepsilon \approx\) 0.6 (Material complementario). El espesor efectivo de la capa fue suficiente para enterrar la mayor parte de la irregularidad de la superficie de la pieza construida. Por lo tanto, el valor de 2σ del lecho de polvo, alrededor de 10 µm, fue comparable a la diferencia entre el valor máximo de 2σ de la pieza construida, alrededor de 90 µm, y el espesor real de la capa, 83 µm.

La rugosidad de la superficie de la pieza construida no fue aleatoria sino que fue introducida por la dirección de 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 de costado o flujo de gas perpendicular y alto para el viento de frente/cola o flujo de gas paralelo. El viento cruzado enfría uniformemente toda la superficie de la piscina derretida desde la cabeza hasta la cola; luego, el baño de fusión es estable y forma una superficie con un valor de \(2\sigma\) relativamente más bajo (Fig. S2 complementaria). Por el contrario, el viento de frente/cola enfría el baño de fusión de manera desigual. El viento de frente enfría primero la parte de la cabeza para disminuir el calor de entrada y encoger todo el baño de fusión, y el viento de cola enfría primero la parte de la cola para acortar el baño de fusión. Debido a que se forman dos tipos de charcos de fusión en una capa para el caso de viento de frente/cola, el valor \(2\sigma\) de la superficie de la parte construida se vuelve más alto.

El sistema de monitoreo de alta velocidad para el comportamiento del baño de fusión revela la forma asimétrica del baño de fusión en la superficie heterogénea, que consta del lecho de polvo en un lado y la pista láser anterior en el otro. La conductividad térmica del lecho de polvo es menor que la del láser track23,24. 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 a 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. Tales 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 pieza 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 es expulsada (Fig. 3b). En contraste, las dimensiones del baño de fusión de la capa 1254 son más grandes que las de la capa 1250 e inestables (Fig. 3c). El lecho de polvo 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 grosor 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 del espesor local 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 superficial y subsuperficial heterogénea afecta las dimensiones del baño de fusión; sin embargo, es una premisa fundamental que las condiciones de fabricación influyen principalmente en ellos.

Debe mencionarse el posible error de medición. En primer lugar, la pluma emitida por el punto láser puede provocar un error de medición. Hooper señaló que el efecto de la pluma caliente emitida por la piscina derretida amplía el valor de ancho observado51. Por lo tanto, el ancho de Hooper es más ancho que el medido ópticamente a partir de la sección transversal de la muestra. En esta investigación, la temperatura en la boca del ojo de la cerradura era más baja que el área en forma de C que la rodea (Fig. 3). Esta área podría estar cubierta por la pluma, cuya parte superior estaba a una temperatura más baja. El penacho ocultó la superficie interna de alta temperatura del ojo de la cerradura53. 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 exploración de 400-500 mm/s49. La velocidad de exploración en el presente estudio, 665 mm/s, se consideró más alta para emitir un penacho; sin embargo, el monitoreo in situ sugiere la emisión de la pluma. 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 incapacidad 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 integradas 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 superficial de la superficie de la pieza construida y el ángulo de dirección de exploración con respecto al flujo de gas atmosférico afectan la estabilidad del baño de fusión. También afectan a las salpicaduras. Por lo tanto, la densidad del material fabricado puede juzgarse controlando la estabilidad del baño de fusión y las salpicaduras. En esta investigación, el charco de fusión no estabilizado se recupera y se considera debido a las condiciones totalmente densas contratadas. 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 inestabilidad repentina del baño de fusión y las salpicaduras intensas darán lugar a defectos locales, y el índice de morfología de la superficie puede informar sobre la idoneidad de las condiciones de fabricación. Dado que la emisión de la pluma 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.

Considere el caso contrario; si se estabiliza un baño de fusión, se mitigan las salpicaduras, la superficie de una pieza construida se convierte en un índice de rugosidad pequeño, se logran las condiciones de fabricación completamente densa 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 salpicaduras. Las salpicaduras y la morfología de la superficie de la pieza construida se afectan mutuamente y pueden ser equivalentes para comprobar la idoneidad de los parámetros; las salpicaduras intensas conducen a una superficie de construcción rugosa y viceversa. Por lo tanto, las salpicaduras deben mitigarse para lograr condiciones con una fabricación completamente densa.

Comprender el mecanismo de salpicadura dará una pista para mitigar las salpicaduras en la superficie heterogénea. Young et al.39 investigaron el mecanismo de salpicadura en un lecho de polvo homogéneo utilizando imágenes de rayos X de alta energía y alta velocidad in situ. Además, las salpicaduras se clasifican en cinco estilos según el mapa de potencia del láser frente a 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 lo tanto, la configuración es diferente de la del proceso práctico PBF-LB en el que un solo láser escanea 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 derretido.

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 de metal. 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 flujo de chorro para inducir un flujo ascendente del gas circundante. El flujo de gas inducido hace que las partículas de polvo adyacentes a las pistas láser se denuden. El polvo arrastrado se introduce en el baño de fusión y luego se expulsa como salpicaduras30. Este efecto Bernoulli por chorros de vapor de metal ocurre bajo una 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 de metal se expande localmente en el punto del rayo láser. El flujo de expansión empujó la partícula de polvo circundante hacia el exterior, lo que resultó en denudación, como Manyalibo et al. explicado con Kn número 54. Bajo presión atmosférica baja, 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 para cambiar el chorro de vapor al flujo de expansión. Sin embargo, afecta la dirección de soplado 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 exploración del láser y (b) la sección longitudinal; la longitud del baño de fusión se acorta debido a las 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 al agrandar su baño de fusión. La cavidad del ojo de la cerradura tiene una sección transversal asimétrica; el lado del lecho de polvo es una pared similar a un acantilado, y el otro lado tiene una pendiente relativamente más suelta. Por lo tanto, el chorro de penacho de la pared lateral del lecho de polvo sopla la masa fundida de la pendiente lateral de la parte construida para que salpique.

Como se indica en la Fig. 7b, la superficie inferior del lecho de polvo frente al arco del baño de fusión es irregular y, a veces, se deposita una salpicadura o eyección relativamente grande. El volumen de fusión agregado por el avance del láser puede variar y provocar un cambio irregular en la forma del baño de fusión. Además, la pared interna del ojo de la cerradura de la cavidad se eleva casi verticalmente en la proa debido al avance del punto láser. En la popa, la pared 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 convertirla en salpicaduras31. La salpicadura coalesce o se combina con los polvos inflados para formar grandes eyectas, como informaron Nassar et al.48; la eyección afecta considerablemente la configuración del baño de fusión. Además, se debe considerar el desnivel 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 generación de penacho débil provocó 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 400–500 mm/s. Además, Yin et al.50 propusieron un método para estimar las condiciones para suprimir las salpicaduras para un escaneo láser de pulso. El tiempo en el que la superficie metálica comienza a hervir después del inicio de la abrasión del 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 hervir \({t}_{ebullición}\), se da como

donde \({T}_{b}\), \(\alpha\), \(\kappa\) y \({A}_{p}\) representan la temperatura de ebullición, 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 que tarda el punto láser en pasar su longitud de tamaño de punto.

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

o la presión mínima para hervir a una velocidad de exploración 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 de cerradura ni se salpican levemente.

Velocidad de escaneo-mapa del proceso de potencia del láser 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., dado que el tamaño del punto láser era \(2{\omega }_{e}=\) 318 µm, las salpicaduras podían suprimirse en unas condiciones de fabricación apropiadas; potencia del láser \(P\) = 750 W y velocidad de exploración \(v\) = 350 m/s (Fig. 8b). Las condiciones del presente trabajo (la potencia del láser \(P\) = 200 W, la velocidad de exploración \(v\) = 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 de 100 µm. Sin embargo, estas condiciones de fabricación dan materiales con una alta densidad relativa. Además, el tamaño de 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 por láser, \({t}_{salpicadura}\), es más largo que el tiempo de permanencia para hervir, \({t}_{boil}\),

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

y se ampliará la ventana de condiciones sin salpicaduras. Sin embargo, la ecuación correspondiente. (1) para \({t}_{spatter}\) no se proporciona hasta ahora. Para obtener \({t}_{salpicaduras}\) o \({P}_{salpicaduras}\left(v\right)\), se requiere el criterio de las dimensiones del ojo de la cerradura para salpicar. Por ejemplo, podría deducirse por la presión de retroceso descrita por la potencia del láser, la velocidad de exploración y las propiedades térmicas del material. O el sistema de monitoreo en el sitio lo proporcionará en función del 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 superficial de la superficie de la pieza construida después del escaneo láser, se alteró cíclicamente con una amplitud de 60–90 μm, de acuerdo con el cambio en el ángulo entre la dirección de exploración del láser y el flujo de gas ambiental. El monitoreo de la cámara de alta velocidad in situ mostró el baño 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 menor y, por el contrario, se volvió inestable cuando el valor era mayor. Con base en la observación, se proponen los esquemas de fusión y salpicaduras para la superficie heterogénea formada por el escaneo láser multipista durante el proceso práctico PBF-LB. La consideración teórica para obtener la ventana de proceso sin condiciones de salpicadura exige más investigación sobre la formación de ojo de cerradura y los criterios de salpicadura 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 Fig. S3 complementaria). La parte del edificio está equipada con un láser de fibra Yb monomodo de 1 kW y un escáner láser de 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 baño de fusión de alta velocidad. Además, el sistema de control de capas es el sistema de medición de la morfología de la superficie óptica. La morfología de la superficie se mide utilizando el método de proyección de franjas; está equipado con una cámara CCD (una cámara con un sensor de imagen de dispositivo acoplado por carga) y un proyector de patrones. El área de medición es toda la etapa de construcción, 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. Eso 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, lo que representa el doble de la desviación estándar de los valores de la 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 raíz cuadrada media de la altura de la superficie, Sq;

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

El sistema de monitoreo de la piscina de fusión de alta velocidad puede observar la imagen de distribución de temperatura de la piscina de fusión y los fenómenos asociados a lo largo de un camino coaxial al escaneo del rayo láser. El sistema de monitoreo de la piscina de fusión de alta velocidad está equipado con un visor térmico de dos colores. El visor térmico 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 lo tanto, el centro del marco de vista (FOV) coincide con el centro del punto láser. El área FOV es de 3,98 × 3,98 mm2 y su frecuencia de muestreo es de 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 la medición para identificar el contorno del baño de fusión de la aleación Inconel 718. La temperatura de liquidus indicaba el contorno del charco derretido; 1336 °C para la aleación Inconel 718. Además, el procesamiento de imágenes para cada cuadro produce el ancho y el largo del charco derretido y el número y tamaño de las salpicaduras.

Por lo tanto, se observan el baño 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 probetas de barra redonda (diámetro = 10 mm y altura = 100 mm) se fabrican utilizando el polvo de aleación Inconel 718 atomizado con gas (aditivo de carpintero). Se espera que estas barras redondas se mecanicen en la forma de muestra de ensayo de tracción JIS tipo 14A especificada en JIS Z2241:2011. El diámetro medio del polvo es de aproximadamente 42 µm y la densidad aparente es casi \(\varepsilon\) = 60 %. Se compilan dos mil capas con un espesor de capa de \(z\) = 50 µm. Las condiciones incluyen potencia láser \(P\) = 200 W, velocidad de exploración \(v\) = 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 de área \({E}_{a}=P/vD\) = 301 J/ cm2 donde \(D\) es el diámetro del rayo láser. El patrón de exploración tiene forma de serpiente y las direcciones de exploración 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 baño de fusión. El sistema de monitoreo registró la dirección del flujo de gas de arriba hacia abajo en la imagen de la capa.

La muestra fabricada tiene un valor de densidad relativa de 100,00%. Eso significa que se fabrica el material completamente denso. Material completamente denso es material sin defectos internos significativos definidos en ISO/ASTM 52,900:2015. El valor de la densidad relativa se mide utilizando un TC de rayos X (Nikon XT H225) a una potencia de 100 W; el tamaño de vóxel es 39 × 39 × 39 µm3. El área medida es el centro de la muestra de barra redonda, 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 adheridas y caídas, y protuberancias relativamente grandes, se miden mediante interferometría de barrido de coherencia (ZYGO New View™ 9000 CSI System).

El cambio dimensional en el baño de fusión se estima a través del análisis numérico de la conducción de calor transitorio con el polvo de fusión y solidificación 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 pedido razonable.

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Descargar referencias

Este estudio forma parte de un proyecto encargado por el Ministerio de Economía, Comercio e Industria (METI) y la New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO Project No. P17002).

El trabajo fue apoyado por la Organización para el Desarrollo de Nuevas Energías y Tecnologías Industriales (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

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T.-TI, MY y HK realizaron la conceptualización, la metodología y la validación y escribieron el manuscrito. HK proporcionó el concepto de figuras y bocetos. T.-TI aportó 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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Reimpresiones y permisos

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

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Recibido: 08 Septiembre 2022

Aceptado: 21 de noviembre de 2022

Publicado: 27 noviembre 2022

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

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