Mécanisme de projection de la fabrication additive par fusion laser sur lit de poudre sur des surfaces hétérogènes

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 20384 (2022) Citer cet article

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La fabrication additive par poudre laser (PBF-LB) est une méthode de fabrication additive capable de produire des pièces de haute précision et entièrement denses. Cependant, l'assurance qualité non destructive de l'absence de défauts internes reste un défi. L'atténuation des défauts internes nécessite d'élucider leur mécanisme de formation et d'améliorer les conditions du processus PBF-LB. Par conséquent, nous avons développé un système de surveillance in situ qui combine la mesure de la morphologie de surface par projection de franges et la mesure du champ thermique avec une caméra à grande vitesse. Sur des surfaces hétérogènes dans un procédé PBF-LB multipiste pratique, un indice de rugosité de la surface de la pièce construite s'est modifié de manière cyclique, conformément au changement d'angle entre le balayage laser et le flux de gaz atmosphérique. La surveillance par caméra à grande vitesse a montré que le bain de fusion était asymétrique et en forme de fuseau et que les éclaboussures étaient émises principalement du côté de la partie construite du bain de fusion. En outre, il a été constaté que la morphologie de la surface de la pièce intégrée sous la couche de poudre affectait la stabilité du bain de fusion. En conséquence, une représentation graphique du bain de fusion et des éclaboussures pour les surfaces hétérogènes a été proposée. Bien qu'il soit encore difficile d'estimer théoriquement la fenêtre de processus dans laquelle aucune éclaboussure et aucun défaut interne, l'équipement de surveillance in situ fournira des connaissances pour élucider la formation d'éclaboussures et de défauts internes.

La fabrication additive par fusion laser sur lit de poudre (PBF-LB) est largement appliquée dans les industries aérospatiale1,2 et médicale3,4. Cependant, le procédé PBF-LB présente plusieurs limites liées à la détérioration de la qualité des produits causée par des micro-défauts internes et l'assurance d'une fabrication stable des produits. Le procédé PBF-LB produit des modèles 3D en compilant des lits de poudre irradiés par laser. Un lit de poudre est une couche de poudre formée par un revêtement de poudre, puis un laser irradie pour faire fondre la couche de poudre afin de créer une section 2D du modèle 3D. Le PBF-LB nécessite le contrôle de divers paramètres en termes de caractéristiques de la poudre5,6, de revêtement en poudre et de processus de construction7,8. Plus précisément, les conditions de revêtement de poudre et les caractéristiques de la poudre, y compris la distribution granulométrique de la poudre et la fluidité de la poudre, affectent les caractéristiques du lit de poudre, par exemple, l'uniformité de l'épaisseur de la couche de poudre, la densité de la couche de poudre et la rugosité de surface. Même si les conditions du processus de construction, par exemple l'irradiation laser et les conditions atmosphériques, sont les mêmes, le matériau construit peut contenir des défauts internes lorsque les caractéristiques du lit de poudre sont différentes. Ainsi, l'effet des caractéristiques du lit de poudre sur le processus de fusion lors du balayage laser est nécessaire pour garantir la qualité des produits finaux9,10,11,12.

Des recherches récentes sur la surveillance in situ du lit de poudre et de la surface de la pièce construite se sont concentrées sur la clarification du mécanisme de formation des défauts13,14,15,16,17,18,19,20. La projection de motifs16, la détection de vision et l'interférométrie à faible cohérence18 ont été proposées pour quantifier la morphologie de surface des parties construites21. Cependant, la morphologie de surface du lit de poudre n'a pas été observée et suffisamment rapportée.

En outre, les recherches existantes se sont concentrées sur le mécanisme de formation des défauts au cours du processus PBF-LB, et des techniques de surveillance sont en cours de développement pour assurer la fabrication stable de produits de haute qualité13,14,15,16,17,18. Le mécanisme de formation des défauts causés par les trous de serrure et les éclaboussures a été étudié à l'aide d'une caméra à grande vitesse8,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34 et d'un micro-synchrotron X -tomodensitométrie (µSXCT)35,36,37,38,39,40,41. Des observations sur les éclaboussures et le comportement du bain de fusion ont été rapportées pour la piste laser unique sur un lit de poudre42,43,44,45,46,47,48,49,50 ; Cependant, ces observations n'expliquent pas de manière adéquate le balayage laser pratique effectué au cours du processus PBF-LB. La plupart des recherches ont été menées pour une seule piste laser sur la surface uniforme du lit de poudre. Cependant, le processus pratique utilise plusieurs pistes; chaque laser balaye une ligne avec une surface de couche de poudre d'un côté et la surface de la pièce solide construite par un balayage laser précédent de l'autre. Une surface avec à la fois une couche de poudre et une surface de partie solide est appelée une surface hétérogène dans cette recherche. A la connaissance des auteurs, il n'existe pas de rapport sur la qualification systématique du comportement des éclaboussures et du bain de fusion sur la surface hétérogène.

Par conséquent, cette recherche vise à clarifier le processus de formation et de fusion du lit de poudre lors d'un balayage laser sur une surface hétérogène. En outre, un système de surveillance in situ est développé pour l'assurance qualité des produits finis fabriqués à l'aide de PBF-LB.

Une surface représentative d'un spécimen construit dans des conditions de fabrication entièrement dense est illustrée à la Fig. S1 supplémentaire. L'image SEM montre une trajectoire de faisceau laser relativement régulière et des éclaboussures déposées. L'image de la morphologie de surface mesurée par interférométrie à balayage par cohérence (ZYGO New View™ 9000 CSI System) indique que la hauteur des projections est d'environ 100 µm. Bien que ces images montrent la surface finale de l'échantillon, le système de surveillance des couches enregistre les surfaces pendant la fabrication (Fig. 1). La figure 1a montre des images de surveillance de la morphologie de surface du lit de poudre et de la partie construite de la 1250e à la 1256e couche.

Modification des images de suivi des morphologies de surface du lit de poudre et de la partie bâtie. (a) Modification de la morphologie de surface du lit de poudre et de la pièce construite fabriquée dans les conditions ; \(P\) = 200 W, \(v\) = 665 mm/s, \(h\) = 0,1 mm, \(z\) = 0,05 mm et \(E\) = 30,1 J/mm3) de la 1250ème à la 1256ème couche. (b) Les valeurs de 2σ du lit de poudre et de la partie bâtie de la 1249ème à la 1270ème couche. L'angle de balayage est l'angle par rapport à la ligne verticale, qui est de haut en bas dans les images de surface.

Le lit de poudre a d'abord été formé dans chaque couche, puis le balayage laser a fabriqué la surface de la pièce construite. Ainsi, les images de surveillance de la surface du lit de poudre étaient vertes sur la surface, ce qui indiquait une surface presque uniforme. Cependant, les images de surveillance de la surface bâtie contenaient des points rouges et bleus. Ces points dispersés indiquaient les pics nets avec une hauteur de + 100 µm et des creux avec une profondeur de -100 µm distribués de manière aléatoire et indépendante. Ils ont suggéré que la surface de la pièce construite était rugueuse par balayage laser sur la surface uniforme du lit de poudre.

La valeur 2σ de la surface du lit de poudre était presque constante à environ 10 µm (Fig. 1b). Cependant, la valeur 2σ de la surface de la pièce construite a changé avec la progression du nombre de couches et a varié sur 60 à 90 µm ; les valeurs maximales et minimales ont été observées à chaque sixième couche. La période de changement de valeur 2σ de la partie construite a coïncidé avec la période de changement de l'angle entre la direction de balayage et le flux de gaz atmosphérique.

L'observation macroscopique du balayage laser à l'aide d'une caméra CCD suggère la direction des projections (Fig. 2). Dans les conditions de traitement actuelles, les éclaboussures se sont dispersées principalement du côté de la partie construite. En revanche, du côté du lit de poudre, les projections avaient tendance à émettre dans la direction verticale au-dessus du bain de fusion et étaient soufflées par le flux de gaz atmosphérique, bien que les projections ne se produisent pas beaucoup.

Image de la caméra CCD du balayage laser sur la poudre.

Le système de surveillance du bain de fusion à grande vitesse capture cette tendance aux éclaboussures au microscope (Fig. 3 et vidéos supplémentaires 1 et 2). Dans l'image de champ de température in situ, un côté de la direction de balayage est le côté du lit de poudre et l'autre est le côté de la partie construite. La partie verte indique des températures supérieures à la température de liquidus de l'alliage Inconel 718 (1336 °C) ; la zone en forme de fuseau représente le bain de fusion. La température de la zone brun foncé en forme de C à l'avant du bain de fusion dépassait 2 000 °C. Le centre de la tache laser est tombé sur la zone centrale jaune et creuse entourée par la zone marron foncé, qui est considérée comme l'embouchure du trou de la serrure.

Images d'un bain de fusion capturées par l'appareil de surveillance. (a) Morphologie représentative du bain de fonte. (b) Images séquentielles du comportement du bain de fusion sur une surface avec une valeur \(2\sigma\) relativement inférieure de la 1250e couche de l'échantillon construit fabriqué dans les conditions (\(P\) = 200 W, \(v \) = 665 mm/s, \(h\) = 0,1 mm, \(z\) = 0,05 mm et \(E\) = 30,1 J/mm3). ( c ) Images séquentielles du comportement du bain de fusion sur une surface relativement rugueuse de la 1254e couche de l'échantillon construit fabriqué dans les conditions. Le temps \({t}_{n}\) est \(n\fois 100\) ns après la première image ; \(n=0\).

De plus, de petites particules chaudes sont apparues derrière la queue du bain de fusion et le côté de la partie bâtie ; c'étaient les éclaboussures.

La longueur et la largeur du bain de fusion ont été mesurées à la température de liquidus de l'alliage Inconel 718 (1336 ° C), et les valeurs étaient respectivement de 400 à 600 µm et de 1250 à 1600 µm.

Les éclaboussures se sont produites à partir de la pointe et du bord latéral du bain de fusion, puis ont été éjectées du côté de la partie construite et de la queue du bain de fusion. L'épaisseur du lit de poudre varie localement lorsqu'une surface de pièce construite avec une valeur \(2\sigma\) supérieure se trouve sous une surface de lit de poudre avec une valeur \(2\sigma\) inférieure. La variation d'épaisseur locale peut modifier localement le volume du bain de fusion et modifier rapidement les dimensions du bain de fusion et les éclaboussures.

Le système de surveillance in situ a montré l'irrégularité du bain de fusion au point tournant, où la direction du balayage laser a tourné de 180°. Ce point correspond au bord des pièces ou au bord du domaine du motif de balayage. Les images de séries chronologiques du bain de fusion au point tournant sur les 1250e et 1254e couches sont présentées à la Fig. 4 et aux vidéos supplémentaires 3 et 4, respectivement.

Images séquentielles du comportement du bain de fusion au point d'inflexion du laser de la (a) 1250ème couche et (b) 1254ème couche de l'échantillon fabriqué à la condition (\(P\) = 200 W, \(v\) = 665 mm /s, \(h\) = 0,1 mm, \(z\) = 0,05 mm et \(E\) = 30,1 J/mm3). Le temps \({t}_{n}\) est \(n\fois 100\) ns après la première image ; \(n=0\).

Un mince bassin de fusion asymétrique se déplace à \({t}_{0}\) et \({t}_{1}\) et s'élargit au point tournant, \({t}_{2}\). Ensuite, le bain de fusion devient une forme presque ronde à \({t}_{3}\) et forme ensuite une forme asymétrique élancée. Les 1250e et 1254e couches ont révélé une tendance similaire malgré les différentes rugosités de la surface bâtie. La région nouvellement fondue a fusionné avec le bain de fusion précédent formé avant de se retourner; par conséquent, la largeur du bain de fusion a presque doublé. Le dernier bain de fusion s'est refroidi pour se solidifier rapidement, mais le nouveau balayage a tout de même parcouru une courte distance, puis le bain de fusion a pris une forme presque ronde. Hooper51 a signalé l'élargissement du bain de fusion au point tournant pour Ti–6Al–4 V ; les résultats actuels concordent avec leurs conclusions.

Les fortes éclaboussures au point tournant ont également été observées grâce au système de surveillance in situ. Une grande éclaboussure a été trouvée sur le côté de la partie construite et la forme du contour du bain de fusion a été fortement perturbée, ce qui peut contenir des éclaboussures et un détachement de la fonte. Cependant, peu de temps après le tournant, aucune éclaboussure n'a été émise malgré la formation du trou de serrure en raison du développement insuffisant de la pression de recul pour surmonter la tension superficielle de la masse fondue. Ensuite, le bain de fusion s'est développé dans le balayage de retour et a recommencé à éclabousser du côté de la partie construite.

De plus, l'analyse numérique a confirmé l'élargissement du bain de fusion. La figure 5a montre le changement de forme du bain de fusion autour du point de retournement entre les troisième et quatrième pistes. La largeur estimée du bain de fusion s'est élargie d'environ 1,6 fois après avoir fait demi-tour (Fig. 5b). La profondeur du bain de fonte a également été approfondie d'environ 1,2 fois, bien qu'elle ne puisse pas être mesurée par observation à l'aide du système de surveillance in situ (Fig. 5c). Même l'irradiation laser une fois arrêtée au point tournant, le bain de fusion est resté et sa longueur était d'au moins 400 µm (Fig. 5d). Cependant, l'analyse numérique sous-estime la profondeur du bain de fusion. Comme indiqué sur la figure 6, la piste laser pénètre dans plus de trois couches précédentes au point de retournement.

Répartition de la température du procédé PBF-LB pour l'Inconel 718. (a) Répartition de la température de surface, (b) Bain de fusion autour du point tournant du balayage laser. (c) La profondeur et (d) la largeur du bain de fusion.

Microstructure du spécimen au bord (point de retournement du laser).

Ainsi, le système de surveillance in situ a révélé le changement de forme drastique du bain de fusion et les fortes éclaboussures autour du point de retournement. Une analyse numérique plus sophistiquée peut estimer les fortes projections autour du point de retournement.

Le système de surveillance de la morphologie de surface révèle que chaque surface de lit de poudre a une valeur \(2\sigma\) inférieure. Cependant, sa sous-surface, c'est-à-dire la surface de la pièce précédemment construite, a la valeur \(2\sigma\) la plus élevée, et la valeur varie selon les couches. Étant donné que les échantillons ont été fabriqués dans des conditions de fabrication entièrement dense, peu de grandes projections ont été émises et des pistes de faisceau modulées relativement régulièrement ont été formées. Le processus de revêtement en poudre a enterré ces irrégularités. Reflétant ces éclaboussures et cette modulation, la valeur 2σ de la surface de la pièce construite variait sur 60 à 90 µm. Bien que le réglage machine de l'épaisseur du lit de poudre était \(z\) = 50 µm, l'épaisseur effective du lit de poudre a été estimée à \(z/\varepsilon\) = 83 µm, où la densité apparente de la poudre était \( \varepsilon \approx\) 0,6 (matériel supplémentaire). L'épaisseur effective de la couche était suffisante pour enterrer la plupart des irrégularités de surface de la partie construite. Ainsi, la valeur 2σ du lit de poudre, environ 10 µm, était comparable à la différence entre la valeur maximale 2σ de la pièce construite, environ 90 µm, et l'épaisseur réelle de la couche, 83 µm.

La rugosité de la surface de la pièce construite n'était pas aléatoire mais a été introduite par la direction de balayage. Comme le montre la figure 1b, le changement périodique de la valeur 2σ de la surface de la pièce construite reflète un angle entre la direction de balayage et le flux de gaz atmosphérique ; faible pour le vent de travers ou le flux de gaz perpendiculaire et élevé pour le vent de tête/arrière ou le flux de gaz parallèle. Le vent de travers refroidit uniformément toute la surface du bain de fonte de la tête à la queue; ensuite, le bain de fusion est stable et forme une surface avec une valeur \(2\sigma\) relativement inférieure (Fig. S2 supplémentaire). Inversement, le vent de tête/arrière refroidit le bain de fonte de manière inégale. Le vent de face refroidit d'abord la partie de tête pour diminuer la chaleur d'entrée et rétrécir l'ensemble du bain de fusion, et le vent arrière refroidit d'abord la partie de queue pour raccourcir le bain de fusion. Étant donné que deux types de bains de fusion sont formés dans une couche pour le cas de vent de tête/arrière, la valeur \(2\sigma\) de la surface de la pièce construite devient plus élevée.

Le système de surveillance à grande vitesse du comportement du bain de fusion révèle la forme asymétrique du bain de fusion sur la surface hétérogène, constituée du lit de poudre d'un côté et de la piste laser précédente de l'autre. La conductivité thermique du lit de poudre est inférieure à celle de la piste laser23,24. Cette différence rend la forme du bain de fusion asymétrique dans la direction de balayage. La surveillance in situ dans des recherches antérieures52,53 indique que la forme du bain de fusion est symétrique en raison du balayage laser à une seule piste, ce qui signifie que des deux côtés de la direction de balayage se trouve le lit de poudre. Cependant, notre observation concernait le scénario pratique, dans lequel le lit de poudre et la partie construite se trouvaient sur des côtés différents. Ces conditions de surface hétérogènes conduisent au bain de fusion asymétrique.

La combinaison des données de surveillance de la morphologie de surface et de l'image de surveillance à grande vitesse suggère la relation entre la surface de la pièce construite et la stabilité du bain de fusion. Le lit de poudre de la 1250ème couche est formé sur la partie bâtie de la 1249ème couche avec une morphologie de surface de 2σ = 65 µm ; les dimensions du bain de fusion de la 1250e couche sont stables et une projection générée à la pointe du bain de fusion évolue et est éjectée (Fig. 3b). En revanche, les dimensions du bain de fusion de la 1254ème couche sont plus grandes que celles de la 1250ème couche et instables (Fig. 3c). Le 1254ème lit de poudre est formé sur la surface rugueuse de la partie construite de la 1253ème couche avec 2σ = 80 µm. Des éclaboussures se produisent à partir de la pointe et du bord latéral du bain de fusion et sont éjectées du côté de la partie construite et de la queue du bain de fusion. L'épaisseur du lit de poudre varie localement lorsqu'une surface rugueuse d'une pièce construite se trouve sous la surface du lit de poudre. La variation d'épaisseur locale peut modifier localement le volume du bain de fusion et entraîner une modification rapide des dimensions du bain de fusion et des éclaboussures. Ainsi, la rugosité hétérogène de la surface et du sous-sol affecte les dimensions du bain de fusion; cependant, c'est une prémisse fondamentale que les conditions de fabrication les influencent principalement.

L'éventuelle erreur de mesure doit être mentionnée. Premièrement, le panache émis par le spot laser peut provoquer une erreur de mesure. Hooper a souligné que l'effet du panache chaud émis par le bain de fonte élargit la valeur de largeur observée51. Ainsi, la largeur de Hooper est plus large que celle mesurée optiquement à partir de la section transversale de l'échantillon. Dans cette recherche, la température à l'embouchure du trou de la serrure était inférieure à sa zone en forme de C environnante (Fig. 3). Cette zone pourrait être couverte par le panache, dont la partie supérieure était à une température plus basse. Le panache cachait la surface interne à haute température du trou de serrure53. Dans le cas de l'acier inoxydable, les éclaboussures et le panache se produisent à peine avec une puissance laser de 400 W et une vitesse de balayage de 400 à 500 mm/s49. La vitesse de balayage dans la présente étude, 665 mm/s, a été considérée comme plus élevée pour émettre un panache ; cependant, la surveillance in situ suggère l'émission de panache. Ensuite, la limitation de la plage de température du thermoviewer peut entraîner une erreur de mesure. Une longueur de bain de fusion plus courte peut être causée par l'incapacité de mesure dans la région de température inférieure correspondant à la queue du bain de fusion en raison de la priorité de mesure dans la zone à haute température.

Le système de surveillance in situ à grande vitesse a révélé la forme asymétrique du bain de fusion et les éclaboussures latérales de la partie intégrée sur la surface hétérogène, ce qui s'adapte au scénario pratique mais n'a pas été signalé dans des recherches antérieures, au meilleur de la connaissance de l'auteur. . La morphologie de surface de la surface de la pièce construite et l'angle de direction de balayage par rapport au flux de gaz atmosphérique affectent la stabilité du bain de fusion. Ils affectent également les éclaboussures. Ainsi, la densité du matériau fabriqué peut être jugée en surveillant la stabilité du bain de fusion et les éclaboussures. Dans cette recherche, le bain de fusion non stabilisé récupère, et il est considéré en raison des conditions entièrement denses engagées. Au contraire, le bain de fusion sera instable dans des conditions de fabrication à faible densité. De plus, la combinaison avec la position du laser, l'instabilité soudaine du bain de fusion et les éclaboussures intensives entraîneront des défauts locaux, et l'indice de morphologie de surface peut rendre compte de l'adéquation des conditions de fabrication. Étant donné que l'émission du panache interfère avec la mesure des dimensions du bain de fusion et peut affecter la surveillance de la stabilité du bain de fusion, il serait préférable de surveiller les éclaboussures.

Considérez le cas contraire; si un bain de fusion est stabilisé, les éclaboussures sont atténuées, une surface de pièce construite devient un petit indice de rugosité, les conditions de fabrication entièrement denses sont atteintes et le matériau construit devrait être sans défaut. Le système de surveillance développé dans la présente recherche peut confirmer l'atténuation des éclaboussures. Les éclaboussures et la morphologie de la surface de la pièce construite s'influencent mutuellement et peuvent être équivalentes pour vérifier l'adéquation des paramètres ; des éclaboussures intenses conduisent à une surface de pièce rugueuse et vice versa. Par conséquent, les éclaboussures doivent être atténuées pour obtenir des conditions avec une fabrication entièrement dense.

La compréhension du mécanisme des éclaboussures donnera un indice pour atténuer les éclaboussures pour la surface hétérogène. Young et al.39 ont étudié le mécanisme d'éclaboussures sur un lit de poudre homogène à l'aide d'une imagerie par rayons X à haute vitesse et à haute énergie in situ. De plus, les éclaboussures sont classées en cinq styles en fonction de la puissance du laser par rapport à la carte de vitesse de balayage : éclaboussures solides, éclaboussures de jets métalliques, éclaboussures d'agglomération de poudre, éclaboussures de fusion par entraînement et éclaboussures induites par des défauts. Leur appareil d'imagerie par rayons X limite la configuration expérimentale du lit de poudre ; ainsi, la configuration est différente de celle du procédé PBF-LB pratique dans lequel une seule piste laser balaye un lit de poudre d'une épaisseur de 100 µm et d'une largeur de 0,5 mm. La classification du style d'éclaboussures et une explication du mécanisme peuvent être appliquées à cette étude même si le mécanisme d'éclaboussures de Young et al. concerne la direction longitudinale du bain de fusion. Nos résultats peuvent ajouter une explication aux éclaboussures dans la direction transversale du bain de fusion.

Les schémas du comportement du bain de fusion et de la formation de projections sont illustrés à la Fig. 7. L'abrasion au laser fait fondre un lit de poudre pour former un bain de fusion, ce qui provoque une émission de vapeur métallique. La pression de vapeur pousse la surface fondue vers le bas, créant une cavité en trou de serrure36,37,38,39,41,52. Au-dessus de la surface de fusion, le panache de vapeur devient un flux de jet pour induire un flux ascendant du gaz environnant. Le flux de gaz induit provoque la dénudation des particules de poudre adjacentes aux pistes laser. La poudre entraînée est introduite dans le bain de fusion puis éjectée sous forme de projections30. Cet effet Bernoulli par jets de vapeur métallique se produit sous haute pression atmosphérique. Lorsque la pression atmosphérique est suffisamment basse pour que le transport de gaz atmosphérique puisse être considéré comme un flux moléculaire, la vapeur de métal se dilate localement au point du faisceau laser. Le flux d'expansion a poussé la particule de poudre environnante vers l'extérieur, entraînant une dénudation, comme Manyalibo et al. expliqué avec Kn numéro54. Sous basse pression atmosphérique, la pression de recul est également faible. Par conséquent, l'émission de projections peut être supprimée. La circulation du gaz atmosphérique ne suffit pas à réduire la pression pour faire passer le jet de vapeur au débit de détente. Cependant, cela affecte la direction de soufflage des éclaboussures de haut vol.

Schéma du comportement du bain de fusion et de la formation de projections. (a) La section transversale de la direction de balayage laser et (b) la section longitudinale ; la longueur du bain de fusion est raccourcie en raison des limitations d'espace.

La forme du bain de fusion devient asymétrique en raison de la conductivité thermique plus élevée de la partie construite par rapport au lit de poudre. Les éclaboussures se produisent du côté de la partie bâtie en agrandissant son bain de fonte. La cavité en trou de serrure a une section transversale asymétrique ; le côté du lit de poudre est un mur en forme de falaise et l'autre côté a une pente relativement plus lâche. Ainsi, le jet de panache issu de la paroi latérale du lit de poudre souffle la masse fondue de la pente latérale de la pièce bâtie en éclaboussures.

Comme indiqué sur la figure 7b, la surface inférieure du lit de poudre devant la proue du bain de fusion est inégale, et parfois, une projection ou un éjecta relativement important se dépose. Le volume de fusion ajouté par l'avance du laser peut varier pour provoquer un changement irrégulier de la forme du bain de fusion. De plus, la paroi intérieure du trou de serrure de la cavité s'élève presque verticalement à la proue en raison de l'avancée du point laser. Sur la poupe, le mur s'étend relativement progressivement. Le jet de vapeur métallique souffle de la paroi intérieure de la proue pour arracher la fonte de la poupe en éclaboussures31. Les éclaboussures fusionnent ou se combinent avec les poudres soufflées pour former de gros éjectas, comme l'ont rapporté Nassar et al.48 ; les éjectas affectent considérablement la configuration du bain de fusion. De plus, les irrégularités de la surface de la partie bâtie doivent être prises en compte.

Les conditions d'abrasion au laser peuvent supprimer les éclaboussures ; par exemple, Zhen et al.49 ont rapporté qu'une faible génération de panache entraînait de légères éclaboussures sur le balayage laser sur la couche de poudre Inconel 718 avec une puissance laser de 400 W et une vitesse de balayage de 400 à 500 mm/s. En outre, Yin et al.50 ont proposé une méthode pour estimer les conditions de suppression des éclaboussures pour un balayage laser à impulsions. Le moment auquel la surface métallique commence à bouillir après le début de l'abrasion laser lorsqu'un faisceau laser avec un rayon de 1/e2 taille de point laser \({\omega }_{e}\) m et la puissance laser \(P \) W abrase une plaque métallique, qui est le soi-disant temps de séjour pour l'ébullition \({t}_{ébullition}\), est donné par

où \({T}_{b}\), \(\alpha\), \(\kappa\) et \({A}_{p}\) représentent la température d'ébullition, la diffusivité thermique du métal fondu , la conductivité thermique et l'absorptivité laser de la plaque, respectivement.

Dans le cas du balayage laser dans une direction, l'ébullition se produit lorsque le temps de séjour pour l'ébullition est plus court que le temps pour que le spot laser passe sa longueur de taille de spot.

Les équations (1) et (2) fournissent la vitesse de balayage maximale pour arrêter l'ébullition, c'est-à-dire,

ou la pression minimale pour faire bouillir à une vitesse de balayage de \(v\), c'est-à-dire,

De la même manière, la substitution de la température de fusion \({T}_{m}\) au lieu de \({T}_{b}\) donne la ligne limite de fusion sur le tracé \(Pv\)

Le graphique \(vP\) avec divers \({\omega }_{e}\) est illustré à la Fig. 8 dans le cas de l'Inconel 718, où \({A}_{p}\) = 0,30, \ ({T}_{b}\) = 3190 K, \(\alpha\) = 5,6 × 10−6 m2/s et \(\kappa\) = 29,6 W/m·K. Les résultats pour la taille de spot 1/e2 ou \(2{\omega }_{e}\) = 100–200 µm. Dans la zone de traitement entre les lignes pleines et pointillées, le substrat devrait fondre sans bouillir, ce qui signifie qu'il n'y a pas de formation de trou de serrure et de légères éclaboussures.

Carte du processus vitesse de balayage-puissance laser de l'alliage Inconel 718. Le rayon de la taille du spot laser est de 100 à 200 µm. (a) Fenêtre de processus sans faire bouillir le bain de fusion. (b) Fenêtre de processus et condition de fabrication dans l'expérience.

Dans l'étude de Yin et al., comme la taille du spot laser était \ (2{\omega }_{e}=\) 318 µm, les éclaboussures pouvaient être supprimées dans des conditions de fabrication appropriées ; puissance laser \(P\) = 750 W et vitesse de balayage \(v\) = 350 m/s (Fig. 8b). Les conditions du présent travail (la puissance laser \(P\) = 200 W, la vitesse de balayage \(v\) = 665 mm/s) étaient bien au-delà de la ligne d'ébullition, et les éclaboussures devaient inévitablement se produire selon l'équation. (2) parce que le diamètre de la taille du spot laser \(2{\omega }_{e}\) est de 100 µm. Cependant, ces conditions de fabrication donnent des matériaux à densité relative élevée. De plus, la taille de spot d'environ \(2{\omega }_{e}\) = 100 µm est largement utilisée dans la pratique. Cet écart suggère que le temps pour commencer les éclaboussures après le début de l'abrasion au laser, \({t}_{éclaboussures}\), est plus long que le temps de séjour pour l'ébullition, \({t}_{ébullition}\),

Les équations (1) et (2) fournissent les conditions nécessaires pour les projections. La valeur \({t}_{ébullition}\) n'est que le temps de séjour pour l'ébullition ; par conséquent, il peut ne pas éclabousser en raison d'une pression de recul insuffisante et du bassin de fusion petit et peu profond juste après le temps de séjour28,31,55. Vraisemblablement, sur un tracé \(vP\), une ligne \({P}_{spatter}\left(v\right)\) est au-dessus de la ligne \({P}_{boil}(v)\),

et la fenêtre des conditions sans éclaboussures sera élargie. Cependant, l'équation correspondante. (1) pour \({t}_{spatter}\) n'est pas fourni jusqu'à présent. Pour obtenir \({t}_{éclaboussures}\) ou \({P}_{éclaboussures}\left(v\right)\), le critère des dimensions du trou de serrure à éclabousser est requis. Par exemple, il peut être déduit de la pression de recul décrite par la puissance du laser, la vitesse de balayage et les propriétés thermiques du matériau. Ou le système de surveillance sur site le fournira en fonction de l'expérience.

En résumé, pour élucider et atténuer la formation de défauts internes du processus PBF-LB, les éclaboussures sur une surface hétérogène, une couche de poudre d'un côté et une surface de pièce construite d'un autre ont été observées grâce à un système de surveillance in situ nouvellement développé. La mesure in situ de la morphologie de surface a révélé que la valeur \(2\sigma\), qui représente la rugosité de surface de la surface de la pièce construite après balayage laser, se modifiait cycliquement avec une amplitude de 60 à 90 μm, en accord avec le changement dans l'angle entre la direction de balayage laser et le flux de gaz ambiant. La surveillance par caméra à grande vitesse in situ a montré le bain de fusion asymétrique et les éclaboussures principalement du côté de la partie construite. De plus, le bain de fusion est devenu stable lorsque la surface de la pièce précédemment construite avait une valeur 2σ plus petite et, à l'inverse, est devenu instable lorsque la valeur était plus grande. Sur la base de l'observation, les schémas du bain de fusion et des éclaboussures sont proposés pour la surface hétérogène formée par le balayage laser multipiste au cours du processus pratique PBF-LB. La considération théorique pour obtenir la fenêtre de processus sans conditions d'éclaboussures exige des recherches supplémentaires sur la formation de trous de serrure et les critères d'éclaboussures autres que l'estimation du temps d'ébullition menée dans cette recherche. Un appareil de surveillance in situ, tel que celui présenté dans cette recherche, soutiendra ces recherches.

Un système de surveillance PBF-LB capable d'effectuer des mesures in situ de la morphologie de surface du lit de poudre et du comportement de fusion lors du balayage laser a été développé dans cette étude. Ce système comprend les parties bâtiment, contrôle et surveillance (voir Fig. S3 supplémentaire). La partie bâtiment est équipée d'un laser à fibre Yb monomode de 1 kW et d'un scanner laser galvanomètre ; la longueur d'onde du laser à fibre est de 1070 nm, et le diamètre du faisceau laser, \(D\) défini par le critère d'intensité 1/e2 est de 100 µm. Le volume de construction capable est de 150 mm de diamètre et 150 mm de hauteur.

L'appareil de surveillance comprend un système de surveillance de couche et un système de surveillance de bain de fusion à grande vitesse. En outre, le système de surveillance de couche est le système de mesure de morphologie de surface optique. La morphologie de surface est mesurée à l'aide de la méthode de projection de franges ; il est équipé d'une caméra CCD (une caméra avec un capteur d'image Charge-Coupled Device) et d'un projecteur de motifs. La zone de mesure est toute la phase de construction, 150 mm de diamètre. La résolution est de 80 µm/pixel dans les directions horizontales des axes x et y et de 7 µm ou moins dans la direction de l'axe z. La morphologie de surface est mesurée avant et après le balayage laser. Dans cette recherche, la morphologie de surface du lit de poudre est la forme de surface qui pourrait être mesurée par la méthode de projection du motif de franges. Cela signifie que le côté ombré des particules et le trou trop profond n'ont pas pu être mesurés.

Dans cette recherche, 2σ quantifie la morphologie de surface, représentant le double de l'écart type des valeurs de position z des données du groupe de points de surface. La position dans la direction z des données du groupe de points est la différence par rapport au plan de meilleur ajustement calculé par la méthode des moindres carrés. La valeur 2σ est égale au double de la hauteur quadratique moyenne de la surface, Sq ;

En outre, les différences minimales et maximales par rapport au plan de meilleur ajustement sont calculées ; ils représentent respectivement la profondeur et la hauteur du pic.

Le système de surveillance de bain de fusion à grande vitesse peut observer l'image de distribution de température du bain de fusion et les phénomènes associés le long d'un trajet coaxial au balayage du faisceau laser. Le système de surveillance du bain de fonte à grande vitesse est équipé d'un thermo-viseur bicolore. Le thermo-viewer se compose d'une caméra à grande vitesse (Photron FASTCAM SA-Z) et d'un système optique inséré coaxialement dans le faisceau laser pour le traitement ; ainsi, le centre du cadre de vue (FOV) coïncide avec le centre du spot laser. La zone FOV est de 3,98 × 3,98 mm2 et sa fréquence d'échantillonnage est de 10 kHz ; sa plage de température de mesure est de 900 à 2000 °C. La plage de température est choisie pour améliorer la résolution de mesure pour identifier le contour du bain de fusion de l'alliage Inconel 718. La température du liquidus indiquait le contour du bain de fusion; 1336 °C pour l'alliage Inconel 718. En outre, le traitement d'image pour chaque image donne la largeur et la longueur du bain de fusion et le nombre et la taille des éclaboussures.

Ainsi, le bain de fusion et les éclaboussures sont observés, et la morphologie de surface de chaque couche est mesurée pour le lit de poudre et la partie construite.

Des éprouvettes de barres rondes (diamètre = 10 mm et hauteur = 100 mm) sont fabriquées à l'aide de la poudre d'alliage Inconel 718 atomisée au gaz (Carpenter Additive). Ces barres rondes doivent être usinées dans la forme d'éprouvette d'essai de traction JIS de type 14A spécifiée dans JIS Z2241:2011. Le diamètre moyen de la poudre est d'environ 42 µm et la densité apparente est presque \(\varepsilon\) = 60 %. Deux mille couches avec une épaisseur de couche de \(z\) = 50 µm sont compilées. Les conditions incluent une puissance laser \(P\) = 200 W, une vitesse de balayage \(v\) = 665 mm/s, une largeur de hachure \(h\) = 0,1 mm, une épaisseur de couche \(z\)= 0,05 mm. Alors la densité d'énergie volumétrique est \({E}_{v}=P/vhz\) = 30,1 J/mm3, et la densité d'énergie surfacique \({E}_{a}=P/vD\) = 301 J/ cm2 où \(D\) est un diamètre de faisceau laser. Le motif de balayage est en forme de serpent et les directions de balayage sont modifiées de 33º dans chaque couche. L'azote gazeux s'écoule sur la plate-forme de fabrication pour réduire la teneur en oxygène à < 0,1 %. On s'attend à ce que le flux de gaz supprime l'oxydation de surface et souffle les éclaboussures et le panache émis par la surface du bain de fusion. Le système de surveillance a enregistré la direction du flux de gaz de haut en bas dans l'image de la couche.

Le spécimen fabriqué a une valeur de densité relative de 100,00 %. Cela signifie que le matériau entièrement dense est fabriqué. Un matériau entièrement dense est un matériau sans défauts internes significatifs définis dans la norme ISO/ASTM 52,900:2015. La valeur de la densité relative est mesurée à l'aide d'un scanner à rayons X (Nikon XT H225) à une puissance de 100 W ; la taille du voxel est de 39 × 39 × 39 µm3. La zone mesurée est le centre de l'échantillon de barre ronde, 10 mm de diamètre et 10 mm de hauteur. De plus, la microstructure métallurgique est observée optiquement après le polissage et la gravure des échantillons. Les irrégularités de surface telles que les éclaboussures tombées et collées et les bosses relativement grandes sont mesurées par interférométrie à balayage de cohérence (ZYGO New View™ 9000 CSI System).

Le changement dimensionnel dans le bain de fusion est estimé via l'analyse numérique de la conduction thermique transitoire avec la fusion et la solidification de la poudre et du métal en vrac à l'aide de la méthode des éléments finis à l'aide d'ANSYS MAPDL31. Les conditions d'analyse sont les conditions de fabrication totalement dense mentionnées ci-dessus ; la zone d'analyse contient les quatre pistes du balayage laser.

Toutes les données expérimentales sont fournies dans le manuscrit, ou les matériaux supplémentaires sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Cette étude fait partie d'un projet commandité par le Ministère de l'économie, du commerce et de l'industrie (METI) et l'Organisation pour le développement des nouvelles énergies et des technologies industrielles (projet NEDO n° P17002).

Les travaux ont été soutenus par la New Energy and Industrial Technology Development Organization (NEDO Project No. P17002).

Institut de recherche sur les technologies fondamentales pour la prochaine génération, Université de Kindai, KURING, 1 Umenobe, Higashi Hiroshima, Hiroshima, 739-2116, Japon

Toshi-Taka Ikeshoji, Makiko Yonehara & Hideki Kyogoku

Association de recherche technologique pour la fabrication additive future ; TRAFAM, 1-10-4 Kajicho, Chiyoda-ku, Tokyo, 101-0044, Japon

Toshi-Taka Ikeshoji, Makiko Yonehara & Hideki Kyogoku

Nikon Corporation, Shinagawa Intercity Tower C, 2-15-3, Konan, Minato-ku, Minato-ku, Tokyo, 108-6290, Japon

Chika Kato, Yuma Yanaga et Koki Takeshita

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T.-TI, MY et HK ont mené la conceptualisation, la méthodologie et la validation et ont rédigé le manuscrit. HK a fourni le concept des figures et des croquis approximatifs. T.-TI a fourni le concept des figures et a préparé toutes les figures. MY, CK, YY et KT ont mené les expériences. YY et KT ont préparé l'appareil expérimental.

Correspondance avec Toshi-Taka Ikeshoji ou Hideki Kyogoku.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Ikeshoji, TT., Yonehara, M., Kato, C. et al. Mécanisme de projection de la fabrication additive par fusion laser sur lit de poudre sur des surfaces hétérogènes. Sci Rep 12, 20384 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-24828-9

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Reçu : 08 septembre 2022

Accepté : 21 novembre 2022

Publié: 27 novembre 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-24828-9

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