Laserbasierter Ultraschall erkennt fehlererzeugende Merkmale im Metall-3D-Druck

Forscher des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) haben eine neue rein optische Ultraschalltechnik entwickelt, mit der sich Schmelzspuren auf Abruf charakterisieren und die Bildung von Defekten in einem beliebten Metall-3D-Druckverfahren erkennen lassen.

In einem von veröffentlichten Artikel Wissenschaftliche Berichteschlagen Laborforscher eine Diagnose mit akustischen Oberflächenwellen (SAW) vor, die durch laserbasierten Ultraschall erzeugt werden und winzige Oberflächen- und Unteroberflächendefekte beim 3D-Metalldruck mit Laser Powder Bed Fusion (LPBF) aufdecken können. Das Team berichtete, dass das von ihnen entwickelte System Laserschmelzlinien – die Spuren, in denen der Laser Metallpulver beim LPBF-Druck verflüssigt – effektiv und genau auswerten kann, indem akustische Energie von Schmelzlinien, Hohlräumen und Oberflächenmerkmalen gestreut wird, die schnell erkannt werden können. Das Team validierte die Ergebnisse mit optischer Mikroskopie und Röntgen-Computertomographie (CT).

„Wir hoffen, dass diese Arbeit das Potenzial für ein vollständig optisches Ultraschallsystem demonstriert, das in der Lage ist, LPBF-Prozesse und -Pulver schnell und auf Abruf in situ zu charakterisieren“, sagte LLNL-Ingenieur und Hauptforscher David Stobbe. „Das demonstrierte laserbasierte Ultraschall-Oberflächenwellensystem zeigte eine hervorragende Empfindlichkeit gegenüber oberflächennahen und oberflächennahen Merkmalen, einschließlich Brüchen in der LPBF-Schmelzlinie, Metalloberflächenspritzern und Lufteinschlüssen unter der Oberfläche.“

Akustische Oberflächenwellen wurden in der Vergangenheit zur Charakterisierung von Oberflächen- und oberflächennahen Merkmalen wie Rissen, Vertiefungen und Schweißnähten in technischen Materialien verwendet und werden in der Geologie – in einem viel größeren Längenmaßstab – zur Erkennung unterirdischer Merkmale wie Höhlen verwendet. Laut Forschern eignen sich SAWs aufgrund ihrer Oberflächen- und Nahoberflächenempfindlichkeit gut zur Charakterisierung von Schmelzlinien beim LPBF-Druck.

Um dieses Potenzial zu testen, führte das LLNL-Team Experimente durch, indem es lasergeschmolzene Linien mit einem in eine Vakuumkammer gerichteten Faserlaser erzeugte, und produzierte Proben einer Titanlegierung zur Analyse mit 100-Watt-, 150-Watt- und 350-Watt-Lasern. Als nächstes entwickelten sie ein Verfahren zur Erzeugung und Erkennung von akustischen Oberflächenwellen, indem sie einen gepulsten Laser zur Erzeugung von Ultraschall verwendeten, und maßen die Verschiebung mit einem photorefraktiven Laser-Interferometer.

Das Team führte auch Simulationen durch, um die experimentellen Messungen zu informieren und bei der Interpretation der Ergebnisse zu helfen. Sie simulierten und maßen die Verschiebung des gepulsten Lasers und zeigten Streuungen von der Schmelzlinie sowie Brüche in der Schmelzlinie, Metallspritzer neben der Schmelzlinie und unterirdische Lufteinschlüsse unter der Schmelzlinie. Das Team maß dieselben Merkmale experimentell und stellte eine hervorragende Übereinstimmung zwischen Simulation und Experiment fest.

Die Ergebnisse von Laser-basierten Ultraschall (LBU)-Experimenten wurden mit optischer Mikroskopie für die Oberflächenmerkmale und Röntgen-Computertomographie für die unter der Oberfläche liegenden Merkmale validiert. Die Forscher berichteten, dass das LBU-System im Vergleich zum Röntgen-CT „besser in der Lage ist, Echtzeit-Inspektionen durchzuführen und Daten schneller erfassen und verarbeiten kann“.

„Durch den Einsatz von laserbasiertem Ultraschall wurde die Zeit für die Erkennung von unterirdischen Hohlräumen im Vergleich zur herkömmlichen Röntgen-CT von Tagen auf Minuten verkürzt“, sagte LLNL-Ingenieurin und Hauptautorin Kathryn Harke. „Obwohl vor der Implementierung dieser Diagnose für die In-Prozess-Überwachung weitere Entwicklungen erforderlich wären, ist unser Team von diesen ersten Erkenntnissen begeistert.“

Laborforscher sagten, dass die Methode zwar gut für die In-situ-Implementierung beim LPBF-Druck geeignet ist, es jedoch Grenzen hinsichtlich der Größe und Tiefe der erkennbaren Hohlräume gibt und eine In-situ-Überwachung oder Inspektion nach dem Bau weitere Entwicklung erfordern würde.

„Ein System wie dieses kann für die schnelle Qualifizierung neuer LPBF-Maschinen und in Betrieb befindlicher Maschinen nach Änderungen des Metallpulver-Ausgangsmaterials oder Änderungen der Schmelzlaserleistung oder Scangeschwindigkeit verwendet werden“, sagte Stobbe.

Zu den Co-Autoren des Labors gehörten Joe Tringe, der die Idee und das LDRD-Projekt konzipierte, und Nick Calta, der die LPBF-Proben entwarf und optische Mikroskopie durchführte.