Les chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ont développé une nouvelle technique d’échographie tout optique capable d’effectuer une caractérisation à la demande des traces de fusion et de détecter la formation de défauts dans un processus d’impression 3D métallique populaire.
Dans un article publié par Rapports scientifiques, les chercheurs du laboratoire proposent un diagnostic utilisant des ondes acoustiques de surface (SAW), générées par des ultrasons à base de laser, qui peuvent révéler de minuscules défauts de surface et de sous-surface dans l’impression 3D de métal par fusion sur lit de poudre laser (LPBF). L’équipe a indiqué que le système qu’elle a développé peut évaluer efficacement et avec précision les lignes de fusion laser – les pistes où le laser liquéfie la poudre métallique dans l’impression LPBF – en diffusant l’énergie acoustique des lignes de fusion, des vides et des caractéristiques de surface qui peuvent être rapidement détectées. L’équipe a validé les résultats à l’aide de la microscopie optique et de la tomodensitométrie (CT) à rayons X.
« Nous espérons que ce travail démontre le potentiel d’un système à ultrasons entièrement optique capable de caractériser rapidement et à la demande in situ les processus et les poudres LPBF », a déclaré l’ingénieur LLNL et chercheur principal David Stobbe. « Le système d’ondes acoustiques de surface à ultrasons basé sur laser démontré a montré une excellente sensibilité aux caractéristiques de surface et proches de la surface, y compris les ruptures dans la ligne de fusion LPBF, les éclaboussures de surface métallique et les vides d’air souterrains. »
Les ondes acoustiques de surface ont toujours été utilisées pour caractériser les caractéristiques de surface et proches de la surface telles que les fissures, les fosses et les soudures dans les matériaux d’ingénierie, et sont utilisées en géologie – à une échelle de longueur beaucoup plus grande – pour détecter les caractéristiques souterraines telles que les grottes. En raison de leur sensibilité de surface et proche de la surface, les SAW sont bien adaptés pour caractériser les lignes de fusion dans l’impression LPBF, selon les chercheurs.
Pour tester ce potentiel, l’équipe du LLNL a réalisé des expériences en produisant des lignes fondues au laser à l’aide d’un laser à fibre dirigé dans une chambre à vide et a produit des échantillons d’alliage de titane pour analyse avec des lasers alimentés de 100 watts, 150 watts et 350 watts. Ensuite, ils ont développé une méthode de production et de détection d’ondes acoustiques de surface, utilisant un laser pulsé pour générer des ultrasons et mesuré le déplacement avec un interféromètre Iaser photoréfractif.
L’équipe a également effectué des simulations pour éclairer les mesures expérimentales et aider à interpréter les résultats. Ils ont simulé et mesuré le déplacement du laser pulsé et ont montré une diffusion à partir de la ligne de fusion, ainsi que des ruptures dans la ligne de fusion, des éclaboussures de métal adjacentes à la ligne de fusion et des vides d’air sous la surface sous la ligne de fusion. L’équipe a mesuré les mêmes caractéristiques expérimentalement et a observé un excellent accord entre la simulation et l’expérience.
Les résultats des expériences d’ultrasons à base de laser (LBU) ont été validés par microscopie optique, pour les caractéristiques de surface, et par tomodensitométrie à rayons X pour les caractéristiques sous-superficielles. Les chercheurs ont rapporté qu’en comparaison avec la tomodensitométrie par rayons X, le système LBU est « mieux placé pour effectuer une inspection en temps réel et peut acquérir et traiter des données à un rythme plus rapide ».
« L’utilisation des ultrasons à base de laser a considérablement réduit le temps de détection des vides souterrains par rapport à la tomodensitométrie conventionnelle à rayons X de quelques jours à quelques minutes », a déclaré l’ingénieur LLNL et auteur principal Kathryn Harke. « Bien que des développements supplémentaires soient nécessaires avant la mise en œuvre de ce diagnostic pour la surveillance en cours de processus, notre équipe est enthousiasmée par ces premiers résultats. »
Les chercheurs du laboratoire ont déclaré que bien que la méthode soit bien adaptée à la mise en œuvre in situ dans l’impression LPBF, il existe des limites sur la taille et la profondeur des vides détectables, et la surveillance in situ ou l’inspection post-construction nécessiterait un développement supplémentaire.
« Un système comme celui-ci peut être utilisé pour qualifier rapidement de nouvelles machines LPBF et des machines en service après des modifications de la charge d’alimentation en poudre métallique ou des modifications de la puissance du laser de fusion ou de la vitesse de balayage », a déclaré Stobbe.
Les co-auteurs du laboratoire comprenaient Joe Tringe, qui a conçu l’idée et le projet LDRD, et Nick Calta, qui a conçu les échantillons LPBF et effectué la microscopie optique.
Kathryn Jinae Harke et al, Interrogation par ultrasons à base de laser des caractéristiques de surface et de sous-surface dans les matériaux de fabrication avancés, Rapports scientifiques (2022). DOI : 10.1038/s41598-022-07261-w