В Институте Пауля Шеррера визуализировали бассейн расплава в 3D

Процесс синтеза на подложке с помощью лазера (LPBF) широко используется для металлов и пластмасс. То, что именно происходит в процессе L-PBF уже изучалось с помощью рентгеновских лучей на "швейцарском источнике света" (SLS) - синхротроне, расположенном в PSI, и в других исследовательских институтах, но эти исследования до сих пор давали только двумерные изображения. "Мы хотели сделать еще один шаг вперед и проследить процесс производства в 3D", - говорит Малгожата Маковска, специалист по материаловедению Института Пауля Шеррера. Вместо двухмерных рентгеновских снимков исследователи хотели получить трехмерные томограммы со скоростью, позволяющей следить за лазерным пятном. Для этого необходимо было вращать образец в процессе изготовления и отслеживать это быстрое вращательное движение с помощью лазера, что представляло собой серьезную проблему. И вот, как сообщает журнал Communications Materials, команде впервые удалось это сделать.

В своих экспериментах ученые использовали оксид алюминия. Этот керамический материал обычно используется в химической промышленности для компонентов, подвергающихся воздействию высоких температур, в электротехнике в качестве изолятора или в медицине для имплантатов. Однако из-за высокой твердости и хрупкости изготовление сложных форм из него с помощью традиционных технологий сопряжено с большими трудностями. "Было бы гораздо проще, если бы можно было печатать такие компоненты, - говорит физик PSI Стивен Ван Петегем. - Однако при печати оксида алюминия все еще трудно получить достаточно плотный материал и желаемую микроструктуру".

Эксперименты, проведенные на томографической линии SLS TOMCAT, позволили получить новое представление об инновационном производственном процессе. Испытуемый образец вращался со скоростью 50 Гц (3000 об/мин), а лазер проходил над порошком. Адаптация процесса печати к такому чрезвычайно быстрому вращению была одной из основных трудностей, которую смогли преодолеть исследователи. Другая проблема заключалась в том, чтобы предотвратить смещение вращающегося материала под действием центробежных сил. Для этого в частицы порошка оксида алюминия было добавлено небольшое количество оксида железа, обладающего магнитными свойствами, а для удержания порошка на месте был использован магнит, установленный под образцом в небольшом цилиндре диаметром 3 мм.

"Благодаря быстрой камере GigaFRoST, собственной разработке PSI, и высокоэффективному микроскопу удалось получать 100 3D-изображений каждую секунду во время процесса печати", - объясняет научный сотрудник линии Федерика Мароне. Эти изображения показывают, что происходит с порошком во время лазерной обработки. "Впервые мы смогли непосредственно визуализировать расплавленный объем в 3D", - говорит Маковска. Отмечается, что форма бассейна расплава удивила исследователей. Когда они увеличили мощность лазера, на поверхности, вопреки ожиданию не образовалось углубления. Вместо этого бассейн расплава растекался, как блин, а поверхность была более или менее плоской.

Исследователи также могли наблюдать, как по мере затвердевания материала образуются поры и углубления, что важно для будущих применений. "В идеале хотелось бы получить гладкий, красивый материал с четко выраженной микроструктурой. Но определенная пористость также очень желательна для конкретных применений", - поясняет Маковска.