Fabrication additive (AM, également connu sous le nom d'impression 3D) nous permet de créer des formes incroyablement complexes, ce qui ne serait pas possible avec les techniques de fabrication traditionnelles. Cependant, les objets créés à l'aide de la FA ont des propriétés différentes des circuits de fabrication traditionnels, ce qui est parfois un inconvénient.

La fabrication additive laser (LAM) utilise un laser pour fusionner des éléments métalliques, céramiques ou autres poudres en formes 3-D complexes, couche par couche. Les vitesses de refroidissement sont extrêmement rapides, et comme ils sont différents des procédés conventionnels, nous ne connaissons pas les conditions optimales pour obtenir les meilleures propriétés, retarder l'adoption du LAM dans la production d'ouvrages d'art critiques pour la sécurité, comme les aubes de turbine, stockage d'énergie et dispositifs biomédicaux. Nous avons besoin d'une méthode pour voir à l'intérieur du processus de LAM afin de mieux comprendre et optimiser l'interaction laser-matière et les mécanismes de consolidation des poudres.

Basé dans le complexe de recherche à Harwell, une équipe de chercheurs a travaillé avec des scientifiques de l'I12, la ligne de lumière JEEP (Joint Engineering Environment Processing) et la Central Laser Facility pour construire une machine de fabrication additive laser fonctionnant sur une ligne de lumière, vous permettant de voir au cœur du processus, révélant les phénomènes physiques sous-jacents au cours de la LAM.

Professeur Peter Lee de l'Université de Manchester, qui dirige le projet explique :« Le processus LAM est très rapide, se déroulant en millisecondes, et pour enquêter, nous avons besoin d'une résolution en microsecondes, qui ne peut être atteint qu'avec l'éclat d'un synchrotron. Il nous permet de suivre le processus de la poudre, par fusion puis solidification pour reprendre la forme solide finale. Sur JEEP, nous étudions les superalliages utilisés dans les moteurs d'avions, et nous avons besoin de la haute énergie, rayons X durs produits là-bas pour voir à l'intérieur d'eux."

Sur place, radiographie in operando

Pour cette recherche, l'équipe a créé un nouveau réplicateur de processus LAM, la LAMPE, ce qui leur permet d'imager et de quantifier la formation de la piste de fusion au fur et à mesure que les couches sont imprimées pendant la FA. Le LAMPR a été conçu pour s'adapter à la ligne de lumière et imite un système LAM commercial, avec des fenêtres transparentes aux rayons X, permettant aux scientifiques de voir au cœur du processus LAM au fur et à mesure qu'il se déroule. Ils ont utilisé la radiographie aux rayons X à haute résolution temporelle et spatiale pour découvrir les mécanismes clés de l'interaction laser-matière et de la consolidation de la poudre au cours de la LAM, y compris la formation et l'évolution des traces de fonte, motifs d'éclaboussures, la zone dénudée (zone sans poudre) et la porosité des couches déposées. La quantification résolue en temps des mouvements des pores et des projections a donné des informations cruciales sur leurs vitesses et leur direction d'écoulement, qu'il n'est pas possible d'acquérir par d'autres techniques.

"Le LAMPR est un équipement unique, et le support de la ligne de lumière était absolument essentiel. Nous avons travaillé avec le personnel de Diamond dès la formulation de la proposition. Diamond a aidé à la conception mécanique, et l'optique et en intégrant la LAMPR dans les systèmes de contrôle", dit le Dr Alex Leung, le PDRA menant les expérimentations.

Les résultats de ces expériences clarifient les aspects de la physique sous-jacente au LAM, qui sont déterminantes pour son développement. L'hypothèse précédente était que la formation de porosité de surface sur les objets finis était due à une fusion incomplète ou à une alimentation en liquide insuffisante. Cependant, cette recherche montre qu'il est formé via un mécanisme d'éclatement des pores. Les pores près de la surface s'échappent dans l'atmosphère, laissant derrière lui une dépression de surface.

Plus loin, les résultats de l'équipe révèlent que la piste continue du matériau fondu se produit souvent via la préfusion en amont de la piste principale, entraînée par la tension superficielle (écoulement de Marangoni), avant de se fondre dans la piste principale. Les vapeurs métalliques et l'échauffement du gaz inerte sont une source potentielle de défauts, formant un panache qui éjecte de la poudre et des gouttelettes fondues loin de la piste principale.

En permettant d'étudier des conditions de process variables, le LAMPR a permis à l'équipe de créer une carte de processus qui illustre comment régler le processus LAM pour produire un produit de qualité avec un minimum d'essais et d'erreurs. Contrairement à une carte de processus traditionnelle, l'imagerie synchrotron produit une carte des mécanismes, qui révèle la physique fondamentale limitant la fenêtre de processus. Cela permet à l'alliage, conditions ou même processus à modifier pour surmonter les restrictions et obtenir un environnement de traitement plus efficace.

Cette méthodologie apporte un éclairage nouveau sur les mécanismes de formation des pores, y compris la migration, dissolution, dispersion, et éclatement des pores au cours de la LAM, et les futures recherches dans ces domaines approfondiront notre compréhension fondamentale de la nature de l'interaction laser-matière.