Cette simulation montre un laser interagissant avec le bain de fusion et la grande «éclaboussure» de particules de poudre métallique qu'il crée. Dans ce cas, la puissance du laser était supérieure à un seuil qui a expulsé les projections de la piste de balayage. Cela a empêché la formation de défauts en raison de «l'ombre laser», dans laquelle la poudre de métal fondu bloque ou éclipse le laser.

Le réglage du balayage laser élimine les défauts des pièces métalliques imprimées en 3D

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Le procédé d’impression 3D le plus populaire pour la fabrication de pièces métalliques est la fusion au lit de poudre laser (LPBF). Il utilise un faisceau laser pour balayer des motifs 2D sur un lit plat de métal en poudre pour former des pistes de fusion qui fusionnent avec les couches inférieures. Ce processus 2D est répété des milliers de fois pour créer des objets 3D. Malgré son apparente simplicité, le processus reste confronté à des défis. Par exemple, la même machine LPBF, utilisant la même poudre et les mêmes paramètres, peut générer des pièces de qualité variable. Un ensemble commun de défauts concerne les pores et autres imperfections de surface.

Pour mieux comprendre le problème associé aux pièces LPBF, les ingénieurs du Lawrence Livermore National Laboratory ont utilisé des modèles informatiques pour créer un «jumeau numérique» du processus. Ensuite, ils ont effectué une multitude d’expériences virtuelles sur des constructions à l’échelle microscopique à l’aide du jumeau numérique. Ils ont découvert que certains des défauts étaient causés par des éclaboussures, de petites particules métalliques projetées à la surface du lit de poudre fondue par la force du laser.

En comparant les simulations aux données expérimentales capturées à l’aide de rayons X à haute vitesse et d’imagerie optique des LPBF en action, les chercheurs ont finalement élaboré un critère de stabilité résultant en une «carte de puissance». La carte de puissance donne à l’utilisateur une stratégie qui ajuste la puissance de sortie du laser le long de la piste laser pour stabiliser le bain de fusion et éviter les projections.

Lorsqu’elle est utilisée, la stratégie réduit ou élimine les pores, les trous de serrure (un bain de fusion profond et étroit) et d’autres phénomènes sous la surface qui peuvent provoquer des défauts.

Une autre «astuce» que les chercheurs ont apprise est que le pré-frittage de la poudre métallique – en exécutant un laser multifaisceaux sur la poudre à faible puissance pour fusionner les particules ensemble avant la construction – réduit les éclaboussures et minimise «l’effet boule de neige», là où de grosses éclaboussures s’accumule sur le lit de poudre et devient difficile à éliminer. Les chercheurs affirment que la stratégie améliorera la fiabilité globale des pièces et encouragera une adoption plus large de l’impression 3D.

Cette simulation montre un laser interagissant avec le bain de fusion et la grande «éclaboussure» de particules de poudre métallique qu’il crée. Dans ce cas, la puissance du laser était supérieure à un seuil qui a expulsé les projections de la piste de balayage. Cela a empêché la formation de défauts en raison de «l’ombre laser», dans laquelle la poudre de métal fondu bloque ou éclipse le laser.

Un autre problème identifié par l’équipe est appelé «ombrage laser», dans lequel la poudre de métal fondu bloque ou éclipse le laser. L’ombrage crée une diminution soudaine de la profondeur du bain de fusion, ce qui peut créer des pores dans le bain de fusion; plus les éclaboussures sont grandes, plus il en résulte de l’ombrage. L’équipe a également découvert un phénomène «d’auto-réplication», où le laser frappe un gros tas de projections sur le lit de poudre et le divise, provoquant des sites de projections supplémentaires et créant un effet boule de neige.

L’intensité du laser est bonne pour expulser les projections qui pourraient bloquer le laser, selon Saad Khairallah, physicien en informatique au LLNL. Mais si la puissance du laser augmente trop rapidement ou est trop élevée, cela peut créer de grandes projections arrière et des trous de serrure. La carte de puissance conçue par les chercheurs ajuste dynamiquement la puissance du laser le long de la piste, en trouvant un «point idéal» qui peut maintenir le bain de fusion stable, expulse les projections qui bloquent ou assombrissent le laser et empêchent les projections de devenir trop grandes.

«Avec notre carte, vous pouvez concevoir de nouvelles stratégies de numérisation ou adapter celles existantes qui maintiennent la stabilité pour éviter les pores et les défauts», explique Khairallah. «À l’avenir, quelqu’un pourrait simuler des stratégies de scan pour déterminer le meilleur niveau de puissance à utiliser le long de la piste de scan. Si vous faites une spirale ou une géométrie complexe, où la chaleur ne se dissipe pas rapidement, elle vous dira comment ajuster la puissance dans ces régions de goulot d’étranglement. « 

Comme le note Khairallah, les éclaboussures sont l’ennemi de la construction de belles pièces. « Ce ne sont pas seulement de petites particules qui volent – elles peuvent créer des projections qui affectent la construction de différentes manières et dans différents scénarios », dit-il. «Les gens ne peuvent pas simplement allumer naïvement leurs lasers et commencer à scanner, car une mauvaise stratégie de scan peut créer des éclaboussures au début d’une piste, au-delà d’un seuil de taille, ce qui peut être mauvais pour la construction.

« La bonne nouvelle », ajoute Khairallah, « est que l’utilisation de ces critères de stabilité permet aux utilisateurs de modifier les stratégies de scan en fonction d’une carte de puissance contrôlée qu’ils appliquent pour éviter une grande partie de la contre-projection. »

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