Így javítható a lézeres 3D fémnyomtatás

A szelektív lézeres olvasztás (SLM) technológiájú 3D nyomtatás nagy energiájú lézersugarat használ fémpor megolvasztásához, ami által fémalkatrészek hozhatók létre. A fémpor egy tálcán helyezkedik el, amelyet a lézersugár meghatározott pályán pásztáz, vékony fémrétegeket húzva egymásra, amelyek egyesülnek, így a technológiát LPBF-nek (Laser Powder Bed Fusion) is hívják. Ilyenkor azonban nagy hőmérsékletkülönbség alakul ki a lézer által érintett és nem érintett területek között, ami túl vékony olvasztott rétegeket, ezáltal pedig kisebb-nagyobb üregeket hoz létre a kész alkatrészben, gyengítve annak szerkezetét.

A Lawrence Livermore National Laboratory kutatói folyamatosan keresik a megoldást a problémára, jelenleg egy korábban nem használt sugártípusú lézerrel kísérleteznek. A jelenlegi SLM/LPBF gépek lézersugarai Gauss-nyalábok, amelyek intenzitása a sugár belsejében a legnagyobb. A Livermore egyik tudósa, Thej Umanath szemléletesen magyarázza el a problémát: Gauss-nyalábbal fémet nyomtatni olyan, mint lángszóróval ételt sütni. Ilyenkor rosszul kontrollálható a hőeloszlás az anyag belsejében.

Koncentráltabb lézersugár, új lehetőségek

Az egyik sugártípus, amivel kísérleteznek a kutatók, a Bessel-nyaláb. Ennek előnye, hogy – a Gauss-nyalábbal ellentétben – elméletileg diffrakció nélkül terjed, azaz a lézersugár a fényforrástól távolodva nem szóródik szét, ezáltal jobban kontroll alatt tartható a sugár képe és ezzel együtt a fémpornak továbbított energiája is. A Bessel-nyaláb precíz szabályozhatóságának köszönhetően Livermore tudósai ki tudtak alakítani egy speciális, célnak megfelelő lézersugár-mintázatot. A nyaláb keresztmetszete koncentrikus köröket formáz, vagyis egy céltábla sávjaira hasonlít, amely által Umanath elmondása szerint el tudták kerülni, hogy a lézersugár energiája annak belsejében koncentrálódjon, mint a problémás Gauss-nyaláb esetén. Innentől lehetőség nyílik precízen szabályozni és eloszlatni az olvasztáshoz szükséges energiát. Kisebbek lesznek a nyomtatott rétegek közötti hőmérsékletkülönbségek, ami által elkerülhető az anyagot gyengítő, porózussá tevő apró üregek és kráterek kialakulása az alkatrészben. Az eredmény egy sűrűbb, finomabb szemcsestruktúrájú anyag nagyobb szakítószilárdsággal, simább felületekkel.

A precízen fókuszálható lézersugár további előnye, hogy nem kell olyan mértékben ügyelni a munkadarabok tökéletespozícionálására a nyomtatás előtt és alatt, ezáltal értékes idő és erőforrások takaríthatók meg, hiszen nincs szükség annyi mérésre drága műszerekkel.

Számos mintázat kialakítható

A Livermore kutatói két, kúp alakú lencsén vezették át a lézernyalábot, hogy kialakítsanak egy gyűrűt a központi sugár körül, majd további optikai eszközökkel a külső rétegeket is létrehozták, majd az így elkészített mintázatú lézersugarat nagy sebességű kamerák segítségével vizsgálták működés közben. Megfigyelték, hogy az olvadék hőmérséklete sokkal kevésbé ingadozik, a lézer energiája jobban szétterül, valamint kevésbé jelentkezik az üregek kialakulásáért szintén felelős olvadékfém-darabok szétfröccsenése.

A csapat egyik kutatója, Ibo Matthews elmondta, az ipar régóta keresi már a megoldást az SLM/LPBF technológia ezen hiányosságára. A Bessel-nyalábbal lehetségessé vált mintázattal ellátni a lézersugarat, így kontroll alatt tartható annak kapcsolata az anyaggal, a hőelosztás, mindezek által pedig a végtermék minősége. A módszer ráadásul egyszerűbb és olcsóbb, mint a többi alternatíva, valamint szükségtelenné teszi a Gauss-nyalábbal készített alkatrészek esetén alkalmazandó utómunkákat.

A Lawrence Livermore National Laboratory több lézermintázattal, valamint polarizált sugarakkal is kísérletezik, melyben a GE Global Research van segítségére — áll a Machine Design írásában.