Alors que les techniques d'impression 3D au laser ont révolutionné la production de pièces métalliques en augmentant considérablement la complexité de conception, les faisceaux laser traditionnellement utilisés en impression sur métal présentent des inconvénients pouvant conduire à des défauts et à de mauvaises performances mécaniques.

Les chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory abordent le problème en explorant des formes alternatives aux faisceaux gaussiens couramment utilisés dans les procédés d'impression laser à haute puissance tels que la fusion laser sur lit de poudre (LBPF). Dans un article publié par Avancées scientifiques , les chercheurs ont expérimenté des formes de faisceaux optiques exotiques connues sous le nom de faisceaux de Bessel - qui rappellent les motifs en œil de bœuf - qui possèdent un certain nombre de propriétés uniques telles que l'auto-guérison et la non-diffraction. Ils ont découvert que l'application de ces types de poutres réduisait la probabilité de formation de pores et de « trous de serrure, " un phénomène induisant de la porosité dans le LPBF exacerbé par l'utilisation de faisceaux gaussiens. Le travail est présenté sur la couverture du journal le 17 septembre.

Les chercheurs du LLNL ont déclaré que les travaux indiquent que des formes alternatives telles que les faisceaux de Bessel pourraient atténuer les principales préoccupations de la technique LBPF - le grand gradient thermique et les instabilités complexes du bain de fusion se produisant lorsque le laser rencontre la poudre métallique. Les problèmes sont principalement causés par les formes de faisceaux gaussiens que la plupart des les systèmes laser à haute puissance produisent généralement.

«                                                                                                                  ' ' ''''' " a déclaré l'auteur principal et chercheur du LLNL Thej Tumkur Umanath. " Avec un faisceau de Bessel, le fait que nous redistribuons une partie de cette énergie loin du centre signifie que nous pouvons concevoir des profils thermiques et réduire les gradients thermiques pour faciliter le raffinement des grains microstructuraux et, finalement, se traduisent par des pièces plus denses et des surfaces plus lisses."

Toumkur, qui a également remporté une première place au Postdoc Research Slam 2019 de LLNL ! concours pour le travail, lesdits faisceaux de Bessel élargissent considérablement l'espace des paramètres de balayage laser par rapport aux formes de faisceaux gaussiens traditionnels. Le résultat est des piscines de fusion idéales qui ne sont pas trop peu profondes et ne souffrent pas de trou de serrure - un phénomène dans lequel le laser crée une forte vapeur et provoque une cavité profonde dans le substrat métallique pendant les constructions, comme les chercheurs du LLNL l'ont déjà découvert. Le trou de serrure crée des bulles dans le bain de fusion qui forment des pores et entraîne une dégradation des performances mécaniques des pièces finies.

Un autre inconvénient des faisceaux conventionnels est qu'ils sont sujets à la diffraction (étalement) lorsqu'ils se propagent. Les faisceaux de Bessel offrent une plus grande profondeur de champ en raison de leurs propriétés non diffractives. Par conséquent, les auteurs ont observé une tolérance accrue au placement de la pièce par rapport au point focal du laser à l'aide des faisceaux de Bessel. Le placement est un défi pour les systèmes industriels qui reposent souvent sur des techniques coûteuses et sensibles pour positionner une construction en cours dans la profondeur de champ du faisceau focalisé chaque fois qu'une couche de poudre métallique est déposée.

« Les faisceaux de Bessel ont été largement utilisés en imagerie, microscopie et autres applications optiques pour leurs propriétés non diffractives et auto-cicatrisantes, mais les approches d'ingénierie de forme de faisceau sont plutôt rares dans les applications de fabrication à base de laser, ", a expliqué Tumkur. "Notre travail aborde la déconnexion apparente entre la physique optique et l'ingénierie des matériaux dans la communauté de la fabrication additive métallique en incorporant des formes de faisceaux de conception pour contrôler la dynamique du bain de fusion."

L'équipe LLNL a façonné les faisceaux en faisant passer le laser à travers deux lentilles coniques pour produire une forme de beignet, avant de le faire passer par des optiques supplémentaires et un scanner pour créer des "anneaux" autour du faisceau central. Installé dans une machine d'impression commerciale dans le laboratoire de fabrication avancée de LLNL, les chercheurs ont utilisé la configuration expérimentale pour imprimer des cubes et d'autres formes à partir de poudre d'acier inoxydable.

Grâce à l'imagerie à haute vitesse, les chercheurs ont étudié la dynamique du bain de fusion, l'observation d'une réduction substantielle de la turbulence du bain de fusion et de l'atténuation des "éclaboussures" - les particules de métal en fusion qui s'échappent de la trajectoire du laser pendant une construction - ce qui conduit généralement à la formation de pores.

Dans les études et simulations mécaniques, l'équipe a constaté que les pièces construites avec des poutres Bessel étaient plus denses, plus solides et avaient des propriétés de traction plus robustes que les structures construites avec des poutres gaussiennes conventionnelles.

"L'industrie a longtemps cherché la capacité d'augmenter le contrôle du processus LPBF pour minimiser les défauts, " a déclaré Ibo Matthews, chercheur principal sur le projet avant de devenir chef de la division Science des matériaux du LLNL. "L'introduction d'une structure complexe au faisceau laser ajoute une flexibilité accrue pour contrôler avec précision l'interaction laser-matériau, dépôt thermique et finalement la qualité des impressions."

L'informaticien du LLNL, Saad Khairallah, a utilisé le code multiphysique développé par le LLNL ALE3D pour simuler l'interaction des formes laser à faisceaux gaussien et de Bessel avec des pistes uniques de matériau en poudre métallique. En comparant les pistes résultantes, l'équipe a découvert que le faisceau de Bessel présentait des gradients thermiques améliorés par rapport aux faisceaux gaussiens, favorisant une meilleure formation de la microstructure. Ils ont également obtenu une meilleure répartition de l'énergie avec les faisceaux de Bessel, éviter la génération de "point chaud" rencontrée dans les faisceaux gaussiens, qui produisent des piscines de fonte profonde et forment des pores.

"Les simulations vous permettent d'obtenir un diagnostic détaillé de la physique en cours et vous permettent donc de comprendre les mécanismes fondamentaux derrière nos découvertes expérimentales, " a déclaré Khairallah.

L'une des nombreuses voies d'amélioration de la qualité des pièces métalliques imprimées en 3D étudiées au LLNL, la mise en forme du faisceau est une option moins chère que les stratégies de balayage alternatives car elle peut être effectuée à peu de frais en incorporant des éléments optiques simples et peut réduire les dépenses et le temps impliqués dans les techniques de post-traitement généralement nécessaires pour les pièces construites avec des faisceaux gaussiens, dit Tumkur.

« Il y a un grand besoin de produire des pièces robustes et sans défaut, avec la possibilité d'imprimer de très grandes structures de manière rentable, " a déclaré Tumkur. " Pour rendre l'impression 3D vraiment compatible avec les normes industrielles et aller au-delà des approches de fabrication conventionnelles, nous devons aborder certains problèmes fondamentaux qui surviennent à des régimes temporels et à des échelles microstructurales très courts. Je pense que la mise en forme du faisceau est vraiment la voie à suivre car elle peut être appliquée pour imprimer une large gamme de métaux de manière omniprésente et être incorporée dans des systèmes d'impression commerciaux sans poser de problèmes d'intégrabilité importants comme d'autres techniques alternatives ont tendance à le faire. »