Dolar 9,3088
Euro 10,8387
Altın 529,59
BİST 1.430
Adana Adıyaman Afyon Ağrı Aksaray Amasya Ankara Antalya Ardahan Artvin Aydın Balıkesir Bartın Batman Bayburt Bilecik Bingöl Bitlis Bolu Burdur Bursa Çanakkale Çankırı Çorum Denizli Diyarbakır Düzce Edirne Elazığ Erzincan Erzurum Eskişehir Gaziantep Giresun Gümüşhane Hakkari Hatay Iğdır Isparta İstanbul İzmir K.Maraş Karabük Karaman Kars Kastamonu Kayseri Kırıkkale Kırklareli Kırşehir Kilis Kocaeli Konya Kütahya Malatya Manisa Mardin Mersin Muğla Muş Nevşehir Niğde Ordu Osmaniye Rize Sakarya Samsun Siirt Sinop Sivas Şanlıurfa Şırnak Tekirdağ Tokat Trabzon Tunceli Uşak Van Yalova Yozgat Zonguldak
İstanbul 17 °C
Çok Bulutlu

Bessel Kirişleri: Metal 3D Baskıyı Geliştirmek İçin Lazer Işını Şekillendirme

27.09.2021
27
Bessel Kirişleri: Metal 3D Baskıyı Geliştirmek İçin Lazer Işını Şekillendirme

Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı araştırmacıları, metal 3D baskıdaki gözenekliliği ve kusurları gidermek için, bullseye desenlerini anımsatan Bessel ışınları olarak bilinen egzotik optik lazer ışını şekillerini denediler. Işınların kendi kendini iyileştirme ve kırılmama gibi benzersiz özelliklere sahip olduğunu keşfettiler ve Gauss ışınlarının kullanımıyla şiddetlenen gözenek oluşumuna neden olan bir fenomen olan gözenek oluşumu ve “anahtar deliği” olasılığını azalttılar. Kredi bilgileri: Veronica Chen/LLNL

Lazer tabanlı 3D baskı teknikleri, tasarım karmaşıklığını büyük ölçüde genişleterek metal parçaların üretiminde devrim yaratmış olsa da, metal baskıda geleneksel olarak kullanılan lazer ışınları, kusurlara ve zayıf mekanik performansa yol açabilecek dezavantajlara sahiptir.

Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı’ndaki (LLNL) araştırmacılar, lazer tozu yatak füzyonu (LPBF) gibi yüksek güçlü lazer baskı işlemlerinde yaygın olarak kullanılan Gauss ışınlarına alternatif şekiller keşfederek sorunu ele alıyorlar.

tarafından yayınlanan bir makalede Bilim Gelişmeleri, araştırmacılar, kendi kendini iyileştirme ve kırılmama gibi bir dizi benzersiz özelliğe sahip olan – bullseye modellerini anımsatan – Bessel ışınları olarak bilinen egzotik optik ışın şekillerini denediler. Bu tip kirişlerin uygulanmasının, Gauss ışınlarının kullanımıyla şiddetlenen LPBF’de gözenek oluşumuna neden olan bir fenomen olan gözenek oluşumu ve “anahtar deliği” olasılığını azalttığını keşfettiler. Çalışma, derginin 17 Eylül 2021 tarihli kapağında yer almaktadır.

LLNL araştırmacıları, çalışmanın Bessel ışınları gibi alternatif şekillerin LBPF tekniğindeki başlıca endişeleri hafifletebileceğini gösterdiğini söyledi: lazerin metal tozuyla buluştuğu yerde meydana gelen büyük termal gradyan ve karmaşık eriyik havuzu kararsızlıkları. Sorunlara ağırlıklı olarak, çoğu kullanıma hazır, yüksek güçlü lazer sistemlerinin tipik olarak ürettiği Gauss ışın şekillerinden kaynaklanır.

“Gauss kirişlerini kullanmak, yemeğinizi pişirmek için alev makinesi kullanmaya çok benzer; malzemenin etrafında ısının nasıl biriktiği üzerinde çok fazla kontrolünüz yok, ”diyor baş yazar ve LLNL araştırma bilimcisi Thej Tumkur Umanath. “Bir Bessel ışını ile, bu enerjinin bir kısmını merkezden uzağa yeniden dağıtmamız, termal profiller oluşturabileceğimiz ve termal gradyanları azaltarak mikroyapısal tane incelmesine yardımcı olabileceğimiz ve sonuçta daha yoğun parçalar ve daha pürüzsüz yüzeyler elde edebileceğimiz anlamına geliyor.”

Aynı zamanda birincilik kazanan Tumkur ödül LLNL’nin 2019 Doktora Sonrası Araştırma Slam’ında! iş için rekabet, dedi Bessel ışınları, lazer tarama parametre alanını geleneksel Gauss ışın şekillerine göre önemli ölçüde genişletiyor. Sonuç, çok sığ olmayan ve anahtar deliğinden muzdarip olmayan ideal eriyik havuzlarıdır – LLNL araştırmacılarının daha önce yaptığı gibi, lazerin güçlü bir buhar oluşturduğu ve yapılar sırasında metal alt tabakada derin bir boşluğa neden olduğu bir fenomen. bulundu. Anahtar deliği, eriyik havuzunda gözenekler oluşturan ve bitmiş parçalarda düşük mekanik performansa yol açan kabarcıklar oluşturur.

Geleneksel ışınların bir diğer dezavantajı, yayılırken kırılmaya (yayılmaya) eğilimli olmalarıdır. Bessel ışınları, kırınımsız özellikleri nedeniyle daha fazla odak derinliği sağlar. Sonuç olarak, yazarlar, Bessel ışınları kullanılarak lazerin odak noktasına göre iş parçasının yerleştirilmesine karşı artan bir tolerans gözlemlediler. Yerleştirme, bir metal tozu tabakası her bırakıldığında odaklanmış ışının odak derinliği içinde devam eden bir yapıyı konumlandırmak için genellikle pahalı ve hassas tekniklere dayanan endüstriyel sistemler için bir zorluktur.

Tumkur, “Bessel ışınları, difraktif olmayan ve kendi kendini iyileştirme özellikleri nedeniyle görüntüleme, mikroskopi ve diğer optik uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır, ancak lazer tabanlı üretim uygulamalarında ışın şeklindeki mühendislik yaklaşımları oldukça nadirdir” dedi. “Çalışmamız, eriyik havuzu dinamikleri üzerinde kontrol elde etmek için tasarımcı kiriş şekillerini birleştirerek metal katkılı imalat topluluğunda optik fizik ve malzeme mühendisliği arasındaki görünürdeki kopukluğu ele alıyor.”

LLNL ekibi, merkezi ışın etrafında “halkalar” oluşturmak için ek optikler ve bir tarayıcıdan geçirmeden önce, bir halka şekli oluşturmak için lazeri iki konik mercekten geçirerek ışınları şekillendirdi. LLNL’nin Gelişmiş Üretim Laboratuvarı’nda ticari bir baskı makinesine yerleştirilen araştırmacılar, paslanmaz çelik tozundan küpler ve diğer şekilleri basmak için deney düzeneğini kullandılar.

Yüksek hızlı görüntüleme yoluyla, araştırmacılar eriyik havuzunun dinamiklerini incelediler ve eriyik havuzu türbülansında önemli bir azalma gözlemlediler ve genellikle gözeneklere yol açan “sıçramanın” – bir yapı sırasında lazerin yolundan uçan erimiş metal parçacıklarının – hafifletildiğini gözlemlediler. oluşum.

Ekip, mekanik çalışmalarda ve simülasyonlarda, Bessel kirişleriyle inşa edilen parçaların, geleneksel Gauss kirişleriyle inşa edilen yapılardan daha yoğun, daha güçlü ve daha sağlam çekme özelliklerine sahip olduğunu buldu.

LLNL’nin Malzeme Bilimi Bölümü lideri olmadan önce projede baş araştırmacı olan Ibo Matthews, “Endüstri uzun süredir kusurları en aza indirmek için LPBF sürecinin kontrolünü artırma yeteneğini arıyordu” dedi. “Lazer ışınına karmaşık yapı eklemek, lazer-malzeme etkileşimini, ısı birikimini ve sonuç olarak baskıların kalitesini hassas bir şekilde kontrol etmek için daha fazla esneklik katıyor.”

LLNL bilgisayar bilimcisi Saad Khairallah, hem Gauss hem de Bessel ışını lazer şekillerinin tek parça metal toz malzeme ile etkileşimini simüle etmek için LLNL tarafından geliştirilen multifizik kodu ALE3D’yi kullandı. Ekip, elde edilen izleri karşılaştırarak, Bessel ışınının Gauss ışınları üzerinde daha iyi mikro yapı oluşumunu teşvik eden gelişmiş termal gradyanlar gösterdiğini buldu. Ayrıca, derin eriyik havuzları üreten ve gözenekler oluşturan Gauss kirişlerinde bulunan “sıcak nokta” oluşumunu önleyerek Bessel kirişleriyle daha iyi enerji dağılımı elde ettiler.

Khairallah, “Simülasyonlar, gerçekleşen fiziğin ayrıntılı teşhisini elde etmenize ve dolayısıyla deneysel bulgularımızın arkasındaki temel mekanizmaları anlamanıza izin verir.” Dedi.

LLNL’de incelenen 3D baskılı metal parçaların kalitesini artırmanın birçok yolundan sadece biri olan ışın şekillendirme, alternatif tarama stratejilerinden daha ucuz bir seçenektir çünkü basit optik elemanlar dahil edilerek düşük maliyetle yapılabilir ve masraf ve zamanı azaltabilir Tumkur, Gauss kirişleriyle inşa edilen parçalar için tipik olarak ihtiyaç duyulan işlem sonrası tekniklerle ilgilendiğini söyledi.

Tumkur, “Çok büyük yapıları uygun maliyetli bir şekilde basabilme özelliğine sahip, sağlam ve hatasız parçalar üretmeye büyük ihtiyaç var” dedi. “3D baskıyı endüstriyel standartlarla gerçekten uyumlu hale getirmek ve geleneksel üretim yaklaşımlarının ötesine geçmek için çok kısa zamansal rejimlerde ve mikroyapısal ölçeklerde ortaya çıkan bazı temel sorunları ele almamız gerekiyor. Işın şekillendirmenin gerçekten gidilecek yol olduğunu düşünüyorum çünkü çok çeşitli metalleri her yerde basmak için uygulanabiliyor ve diğer alternatif tekniklerin yapma eğiliminde olduğu gibi önemli entegrasyon zorlukları yaratmadan ticari baskı sistemlerine dahil edilebiliyor.”

LLNL’deki araştırmacılar şu anda GE Global Research ile devam eden bir ortaklığın parçası olarak diğer ışın şekli mühendisliği stratejilerini deniyorlar ve basılı parçaların kalitesi üzerinde daha fazla kontrol sağlamak için karmaşık lazer ışını ve polarizasyon şekillendirme yaklaşımlarını araştırmayı planlıyorlar.

Referans: Thejaswi U. Tumkur, Thomas Voisin, Rongpei Shi, Philip J. Depond, Tien T. Roehling, Sheldon Wu, Michael F. Crumb, John D. Roehling, “Metal katkılı imalatta gelişmiş optotermal kontrol için kırılmaz ışın şekillendirme”, Gabe Guss, Saad A. Khairallah ve Manyalibo J. Matthews, 15 Eylül 2021, Bilim Gelişmeleri.
DOI: 10.1126 / sciadv.abg9358

Makaledeki ortak yazarlar arasında LLNL bilim adamları ve mühendisleri Thomas Voisin, Rongpei Shi, Phil Depond, Tien Roehling, Sheldon Wu, Michael Crumb, John Roehling ve Gabe Guss yer alıyor. Laboratuvara Yönelik Araştırma ve Geliştirme programı çalışmayı finanse etti.

.

Gelişmelerden zamanında haberdar olmak için Google News’te Bilim Portal’a ABONE OLUN

ZİYARETÇİ YORUMLARI - 0 YORUM

Henüz yorum yapılmamış.