Onderzoek: Langzaam uitharden van metaalpoeder met krachtige laser leidt vaak tot bubbels

Laser bed powder fusion is een veelgebruikte techniek voor additieve productie. Desondanks zijn er een aantal uitdagingen die de bruikbaarheid van deze 3D-printtechniek beperken. De grootste uitdaging zijn kleine bubbels of poriën die kunnen ontstaan tijdens het printproces. Deze leiden tot zwakke plekken in het uiteindelijke product. Met name indien een krachtige laser metaalpoeder met een langzame snelheid uithard ontstaan in veel gevallen dergelijke afwijkingen.

Dit blijkt uit onderzoek van een reeks onderzoekers onder leiding van Anthony Rollett, hoogleraar materiaalwetenschappen en -techniek aan de Amerikaanse Carnegie Mellon University. Naast Rollett zijn de onderzoekers Tao Sun van de Amerikaanse University of Virginia, Cang Zhao van de Chinese Tsinghua University, Niranjan D. Parab en Kamel Fezzaa van het Amerikaanse Argonne National Laboratory en Xuxiao Li en Wenda Tan van de University of Utah bij het project betrokken.

Ontstaan van bubbels

Rollet en zijn team publiceren hun bevindingen in Science. In hun onderzoek zoomt het team in op het ontstaan van dergelijke bubbels en hoe deze ‘gevangen’ kunnen worden in het eindproduct. “De echte praktische waarde van dit onderzoek is dat we machines nauwkeurig kunnen aansturen om dit probleem te vermijden”, licht Rollet toe.

Het ontstaan van bubbels tijdens laser bed powder fusion is bekend fenomeen dat ook wel het ‘sleutelgatfenomeen’ wordt genoemd. Het fenomeen doet zich met name voor indien een krachtige laser met een lage snelheid metaalpoeder laat smelten gedurende het printproces. Hierbij kan een gat ontstaan in het materiaal, dat lijkt op een sleutelgat. Dit gat kan leiden tot afwijkingen, die vaak worden omschreven als bubbels of poriën. Deze kunnen de kwaliteit van het eindproduct aantasten.

In beeld gebracht met röntgenbeelden

Om de poriën nader te onderzoeken heeft het team gebruik gemaakt een vorm van röntgenbeelden waarbij extreem veel licht wordt gebruikt. Dit maakt het mogelijk bubbels in het sleutelgat in beeld te brengen. Deze bubbels ontstaan tijdens fluctuaties in het sleutelgeld. “Dit onstabiele gedrag genereert akoestische golven in het vloeibare metaal, dat de poriën weg van het sleutelgat dwingen. Dit zorgt ervoor dat zij lang genoeg overleven om gevangen te worden in het uithardende metaal”, schrijft het team in een nieuwsbericht op de website van de CMU.

“Indien je een diep sleutelgat hebt, trillen de wanden sterk”, legt Rollett uit. “Deze oscillaties zijn aan de onderkant van het sleutelgat sterk genoeg om af te buigen, waarbij zij een grote bubbel achterlaten. In sommige gevallen verbindt deze bubbel zich niet meer met het sleutelgat. Het stort in en creëert een akoestische golf. Dit drukt de overgebleven poriën weg van het sleutelgat.”

Grens tussen stabiele en onstabiele sleutelgaten

Belangrijk om hierbij op te merken is dat deze sleutelgaten zelf geen fouten in het productieproces zijn; zij vergroten juist de efficiëntie van de laser. Op basis van hun onderzoek melden de onderzoekers dat er een duidelijke grens bestaat tussen stabiele en onstabiele sleutelgaten. “Zolang je buiten het risicogebied blijft (te warm, te koud), is het risico om afwijkingen achter te laten vrij klein”, stelt Rollett.

Hij trekt hierbij een vergelijking met het snelheidslimiet op de openbare weg, al werkt het concept omgekeerd. “In dit geval wordt het gevaarlijker naarmate je langzamer gaat. Indien je onder de snelheidslimiet komt, creëer je nagenoeg zeker een afwijking.”

Printprocessen verbeteren

Het inzicht dat uit het onderzoek naar voren komt moet op termijn helpen de uitkomst en kwaliteit van printprocessen te verbeteren. De onderzoekers verwachten dan ook dat bedrijven op korte termijn hun bevindingen gaan integreren in de aansturing van hun 3D-printers.

Auteur: Wouter Hoeffnagel