Bessel Beams: Định hình chùm tia Laser để cải thiện việc in 3D kim loại

Trong khi kỹ thuật in 3D dựa trên laser đã cách mạng hóa việc sản xuất các bộ phận kim loại bằng cách mở rộng đáng kể độ phức tạp của thiết kế, thì các chùm tia laser thường được sử dụng trong in kim loại có nhược điểm là có thể dẫn đến khuyết tật và hiệu suất cơ học kém.

Các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore (LLNL) đang giải quyết vấn đề này bằng cách khám phá các hình dạng thay thế cho chùm Gaussian thường được sử dụng trong các quy trình in laser công suất cao như phản ứng tổng hợp bột laser (LPBF).

Trong một bài báo được xuất bản bởi Science Advances , các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm với các hình dạng chùm tia quang học kỳ lạ được gọi là chùm Bessel – gợi nhớ đến các mẫu mắt bò – sở hữu một số đặc tính độc đáo như tự phục hồi và không nhiễu xạ. Họ phát hiện ra rằng việc áp dụng các loại chùm tia này làm giảm khả năng hình thành lỗ rỗng và “hiện tượng chìa khóa”, một hiện tượng gây ra độ rỗng trong LPBF trầm trọng hơn khi sử dụng chùm Gaussian. Tác phẩm được đăng trên trang bìa ngày 17 tháng 9 năm 2021 của tạp chí.

Các nhà nghiên cứu của LLNL cho biết công trình chỉ ra rằng các hình dạng thay thế như chùm Bessel có thể làm giảm bớt những lo ngại chính trong kỹ thuật LBPF: gradient nhiệt lớn và sự bất ổn của vũng chảy phức tạp xảy ra khi tia laser gặp bột kim loại. Các vấn đề chủ yếu gây ra bởi các hình dạng chùm Gaussian mà hầu hết các hệ thống laser công suất cao, không có sẵn thường phát ra.

“Sử dụng chùm tia Gaussian giống như sử dụng súng phun lửa để nấu thức ăn của bạn; tác giả chính và nhà khoa học nghiên cứu LLNL Thej Tumkur Umanath nói. “Với chùm tia Bessel, thực tế là chúng tôi phân phối lại một phần năng lượng đó ra khỏi trung tâm có nghĩa là chúng tôi có thể thiết kế các cấu hình nhiệt và giảm độ dốc nhiệt để hỗ trợ tinh chế hạt vi cấu trúc và cuối cùng, dẫn đến các bộ phận dày đặc hơn và bề mặt mịn hơn.”

Tumkur, người cũng đã giành được giải nhất tại Cuộc thi nghiên cứu Postdoc 2019 của LLNL! cạnh tranh cho công việc, cho biết chùm tia Bessel mở rộng đáng kể không gian tham số quét laser so với các hình dạng chùm tia Gaussian truyền thống. Kết quả là các vũng nóng chảy lý tưởng không quá nông và không bị tiếng chìa khóa – một hiện tượng trong đó tia laser tạo ra hơi nước mạnh và gây ra một khoang sâu trong nền kim loại trong quá trình xây dựng, như các nhà nghiên cứu LLNL đã phát hiện trước đây. Keyholing tạo ra các bong bóng trong bể tan chảy tạo thành các lỗ rỗng và dẫn đến giảm hiệu suất cơ học ở các bộ phận đã hoàn thiện.

Một nhược điểm khác của chùm tia thông thường là chúng dễ bị nhiễu xạ (lan truyền) khi chúng lan truyền. Chùm tia Bessel có độ sâu tiêu điểm lớn hơn do đặc tính không nhiễu xạ của chúng. Do đó, các tác giả đã quan sát thấy sự gia tăng dung sai đối với vị trí của phôi đối với tiêu điểm của tia laser bằng cách sử dụng chùm tia Bessel. Vị trí là một thách thức đối với các hệ thống công nghiệp thường dựa vào các kỹ thuật đắt tiền và nhạy cảm để định vị một công trình đang xây dựng trong độ sâu tiêu điểm của chùm tia hội tụ mỗi khi một lớp bột kim loại được lắng đọng.

“Chùm tia Bessel đã được sử dụng rộng rãi trong hình ảnh, kính hiển vi và các ứng dụng quang học khác vì đặc tính không nhiễu xạ và tự phục hồi của chúng, nhưng các phương pháp kỹ thuật hình dạng chùm lại không phổ biến trong các ứng dụng sản xuất dựa trên laser,” Tumkur giải thích. “Công việc của chúng tôi giải quyết sự ngắt kết nối dường như giữa vật lý quang học và kỹ thuật vật liệu trong cộng đồng sản xuất phụ gia kim loại bằng cách kết hợp các hình dạng chùm thiết kế để đạt được sự kiểm soát đối với động lực của bể tan chảy.”

Nhóm LLNL định hình các chùm tia bằng cách chạy tia laser qua hai thấu kính hình nón để tạo ra hình bánh rán, trước khi đưa nó qua hệ thống quang học bổ sung và một máy quét để tạo “vòng” xung quanh chùm tia trung tâm. Được lắp đặt trong một máy in thương mại trong Phòng thí nghiệm Sản xuất Tiên tiến của LLNL, các nhà nghiên cứu đã sử dụng thiết lập thử nghiệm để in các hình khối và các hình dạng khác từ bột thép không gỉ.

Thông qua hình ảnh tốc độ cao, các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu động lực học của bể tan chảy, quan sát thấy sự giảm đáng kể sự hỗn loạn của bể tan chảy và giảm thiểu “spatter” – các hạt kim loại nóng chảy bay từ đường đi của tia laser trong quá trình xây dựng – thường dẫn đến lỗ rỗng sự hình thành.

Trong các nghiên cứu và mô phỏng cơ học, nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng các bộ phận được xây dựng bằng dầm Bessel dày đặc hơn, chắc chắn hơn và có đặc tính chịu kéo mạnh hơn các cấu trúc được xây dựng bằng dầm Gaussian thông thường.

Ibo Matthews, điều tra viên chính của dự án trước khi trở thành lãnh đạo Bộ phận Khoa học Vật liệu của LLNL cho biết: “Ngành công nghiệp từ lâu đã tìm kiếm khả năng tăng cường kiểm soát quy trình LPBF để giảm thiểu các khiếm khuyết. “Việc đưa cấu trúc phức tạp vào chùm tia la-de tăng thêm tính linh hoạt để kiểm soát chính xác sự tương tác giữa vật liệu-la-de, sự lắng đọng nhiệt và cuối cùng là chất lượng của các bản in.”

Nhà khoa học máy tính Saad Khairallah của LLNL đã sử dụng mã đa vật lý ALE3D do LLNL phát triển để mô phỏng sự tương tác của cả hình dạng tia laze Gaussian và Bessel với các vệt đơn của vật liệu bột kim loại. Bằng cách so sánh các dấu vết thu được, nhóm nghiên cứu nhận thấy chùm Bessel đã chứng minh độ dốc nhiệt được cải thiện hơn chùm Gauss, khuyến khích sự hình thành vi cấu trúc tốt hơn. Họ cũng đạt được sự phân phối năng lượng tốt hơn với chùm tia Bessel, tránh tạo ra “điểm nóng” được tìm thấy trong chùm tia Gaussian, tạo ra các vũng chảy sâu và hình thành các lỗ rỗng.

Khairallah nói: “Mô phỏng cho phép bạn chẩn đoán chi tiết về vật lý đang diễn ra và do đó cho phép bạn hiểu các cơ chế cơ bản đằng sau những phát hiện thử nghiệm của chúng tôi.

Chỉ là một trong nhiều con đường để cải thiện chất lượng của các bộ phận kim loại in 3D đang được nghiên cứu tại LLNL, định hình chùm là một lựa chọn rẻ hơn các chiến lược quét thay thế vì nó có thể được thực hiện với chi phí thấp bằng cách kết hợp các yếu tố quang học đơn giản và có thể giảm chi phí và thời gian tham gia vào các kỹ thuật xử lý hậu kỳ thường cần thiết cho các bộ phận được xây dựng bằng dầm Gaussian, Tumkur nói.

“Nhu cầu lớn là sản xuất các bộ phận chắc chắn và không có khuyết tật, với khả năng in các cấu trúc rất lớn theo cách tiết kiệm chi phí,” Tumkur nói. “Để làm cho in 3D thực sự tương thích với các tiêu chuẩn công nghiệp và vượt ra ngoài các phương pháp sản xuất thông thường, chúng ta cần giải quyết một số vấn đề cơ bản xảy ra ở chế độ thời gian rất ngắn và quy mô cấu trúc vi mô. Tôi nghĩ rằng định hình chùm thực sự là một cách để đi vì nó có thể được áp dụng để in nhiều loại kim loại ở khắp mọi nơi và được tích hợp vào các hệ thống in thương mại mà không đặt ra những thách thức đáng kể về khả năng tích hợp như các kỹ thuật thay thế khác có xu hướng làm. ”

Các nhà nghiên cứu tại LLNL hiện đang thử nghiệm các chiến lược kỹ thuật hình dạng chùm khác như một phần của quan hệ đối tác liên tục với GE Global Research và đang có kế hoạch điều tra các phương pháp tiếp cận định hình phân cực và chùm tia laser phức tạp để kiểm soát tốt hơn chất lượng của các bộ phận được in.

Tham khảo: “Tạo hình chùm tia hấp dẫn để tăng cường kiểm soát quang nhiệt trong sản xuất phụ gia kim loại” của Thejaswi U. Tumkur, Thomas Voisin, Rongpei Shi, Philip J. Depond, Tien T. Roehling, Sheldon Wu, Michael F. Crumb, John D. Roehling, Gabe Guss, Saad A. Khairallah và Manyalibo J. Matthews, ngày 15 tháng 9 năm 2021, Những tiến bộ của Khoa học .
DOI: 10.1126 / sciadv.abg9358

Đồng tác giả của bài báo bao gồm các nhà khoa học và kỹ sư LLNL Thomas Voisin, Rongpei Shi, Phil Depond, Tien Roehling, Sheldon Wu, Michael Crumb, John Roehling và Gabe Guss. Chương trình Nghiên cứu và Phát triển do Phòng thí nghiệm chỉ đạo đã tài trợ cho công việc này.

Theo Scitechdaily