Les chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ont franchi une étape prometteuse dans l'amélioration de la fiabilité des techniques d'impression 3D métalliques à base de laser en mesurant l'émission d'électrons de la surface de l'acier inoxydable pendant le traitement au laser.

Les chercheurs ont collecté des signaux d'émission thermoionique à partir d'acier inoxydable 316L dans des conditions de fusion sur lit de poudre laser (LPBF) à l'aide d'un système personnalisé, système de banc d'essai et un préamplificateur de courant qui mesurait le flux d'électrons entre la surface métallique et la chambre. Ensuite, ils ont utilisé l'émission thermoionique générée pour identifier la dynamique causée par les interactions laser-métal. Le journal Supports de communication a publié le travail en ligne le 27 novembre.

L'équipe a déclaré que les résultats illustrent le potentiel de la détection d'émission thermoionique pour détecter les phénomènes provoqués par le laser qui peuvent provoquer des défauts dans les pièces, optimiser les paramètres de construction et améliorer la connaissance du processus LPBF tout en complétant les capacités de diagnostic existantes. Les chercheurs ont déclaré que la capacité de capturer l'émission thermique d'électrons contribuerait à faire progresser la compréhension de base de la dynamique d'interaction laser-matériau impliquée dans le processus LPBF et aiderait la communauté de maturation technologique au sens large à renforcer la confiance dans les pièces créées à l'aide de la technique.

« La production de pièces sans défaut est un obstacle majeur à l'adoption commerciale généralisée de la fabrication additive métallique (AM), " a déclaré le chercheur principal Aiden Martin. " Les chercheurs du LLNL se sont penchés sur ce problème en développant des processus et des outils de diagnostic pour améliorer la fiabilité de la FA métallique. Cette nouvelle méthodologie complète ces outils de diagnostic existants pour accroître notre compréhension du processus d'impression 3D. Nos prochaines étapes consistent à étendre cette technologie à un capteur fonctionnant sur un système LPBF à grande échelle pour augmenter la confiance dans la qualité des pièces construites. »

Les chercheurs ont déclaré que bien que des recherches importantes aient été menées pour comprendre et mesurer comment les pièces sont imprimées avec LPBF grâce à l'imagerie optique, Radiographies aux rayons X ou mesure d'émissions de signaux thermiques ou acoustiques, l'émission thermoionique a été négligée. Mais en observant et en analysant les électrons émis lors du traitement laser, Les chercheurs du laboratoire ont démontré qu'ils pouvaient lier les augmentations de l'émission thermoionique à la température de surface et aux conditions de balayage laser qui provoquent la formation de pores et des défauts de pièces.

Grâce aux données expérimentales et à la simulation, les chercheurs ont signalé que le signal d'émission thermoionique augmentait de façon exponentielle, et la profondeur du bain de fusion a augmenté linéairement, avec une densité d'énergie locale, démontrant la "dépendance critique" de la température de surface du métal vis-à-vis des émissions thermoioniques et l'utilité d'utiliser des signaux thermoioniques comme moyen d'optimiser la focalisation laser dans le LPBF.

« L'émission d'électrons dans la fabrication additive métallique a généralement été négligée par la communauté, et nous étions ravis d'observer son extrême sensibilité aux conditions du processus, " a déclaré le premier auteur et ingénieur LLNL Phil DePond.

Les observations de l'équipe ont révélé que la formation de plasma au cours du processus LPBF, qu'ils attribuaient auparavant à l'ionisation du métal vaporisé par le faisceau laser, pourrait également être causée par des électrons éjectés de la surface métallique dans l'atmosphère de gaz argon et interagissant avec le laser.

Les chercheurs ont déclaré que la haute sensibilité de l'émission thermoionique à la température de surface et à la morphologie de la surface leur permet de déterminer le point de transition exact entre la conduction et la formation du trou de serrure, ce qui entraîne la formation de pores dans certaines parties. Ils ont conclu que les résultats montrent que les signaux thermoioniques peuvent être utilisés efficacement avec les méthodes traditionnelles de collecte et de traitement des données LPBF, améliorer les connaissances scientifiques sur les interactions laser-matériau et identifier où des défauts pourraient survenir.

Plus généralement, le travail "représente une étape importante vers l'établissement de capacités de surveillance in situ efficaces qui peuvent accélérer la qualification et la certification des composants LPBF, ", a déclaré le co-auteur et chef du groupe Laser Material Interaction Science Manyalibo "Ibo" Matthews.