Analytical model for balling defects in laser melting using rivulet theory and solidification

In de wereld van de moderne productie bestaat een techniek genaamd laser powder bed fusion waarmee metalen onderdelen laag voor laag worden opgebouwd. Een krachtige laser scant over een bed van fijn metaalpoeder, waardoor het wordt gesmolten tot een vloeibaar spoor dat bijna onmiddellijk stolt om de volgende laag van een object te vormen. Voor dit proces om goed te werken, moet het gesmolten metaal soepel stromen en stolt in een uniforme lijn. Echter, onder bepaalde omstandigheden weigert het vloeibare metaal zich welvoor te nemen. In plaats van een rechte lijn, breekt het uiteen in een reeks ongelijkmatige bulten en gaten, een defect dat bekend staat als "balling". Dit gebrek ruïneert de structurele integriteit van het uiteindelijke onderdeel en beperkt hoe snel fabrikanten kunnen printen. Jarenlang hebben wetenschappers geprobeerd te begrijpen waarom dit gebeurt, waarbij ze vaak wezen naar een klassiek natuurkundig principe dat verklaart hoe een waterstraal in druppels uiteenvalt. Toch heeft deze traditionele verklaring moeite gehad om aan te sluiten bij de complexe realiteit van een laser die metaal smelt op een vast oppervlak, waar het materiaal bijna net zo snel bevriest als het stroomt.

Een team onderzoekers van Stanford University, de European Synchrotron Radiation Facility en andere instellingen heeft een frisse blik geworpen op dit probleem. Ze zetten zich scharpe op het creëren van een nieuwe wiskundige beschrijving van het balling-defect die rekening houdt met de hevige strijd tussen twee krachten: de vloeistofinstabiliteit die probeert het vloeibare spoor uit elkaar te breken, en het stollingsfront dat probeert het op zijn plaats te laten bevriezen. Om dit te doen, vertrouwden ze niet alleen op computersimulaties. In plaats daarvan gebruikten ze krachtige röntgenstraling om het proces in realtime te observeren op dunne monsters van tantaalmetaal. Door het gesmolten metaal te observeren terwijl het door een laser werd gescand, legden ze beelden vast van de vloeistof die zich ophoopte, stroomde en werd afgeknepen door stollende randen. Hun werk suggereert dat de oude manier van denken over dit defect incompleet is, omdat het negeert dat het metaal bevriest terwijl het beweegt.

De onderzoekers begonnen door het standaardmodel dat gebruikt wordt door de additive manufacturing-gemeenschap uit te dagen. Dat model behandelt het gesmolten metaalspoor alsof het een zweende cilinder van vloeistof in een vacuüm is, vergelijkbaar met een waterstraal die uit een kraan valt. In dat scenario zorgt oppervlaktespanning er natuurlijk voor dat de straal in druppels uiteenvalt als deze te lang wordt in verhouding tot de breedte. Echter, in een laser-smeltproces zweeft het vloeibare metaal niet; het rust bovenop een vast substraat, en de zijkanten van de smeltpool worden ondersteund door het ongesmolten materiaal eromheen. Het team realiseerde zich dat deze ondersteuning de fysica aanzienlijk verandert. Ze pasten een theorie uit de vloeistofdynamica aan, bekend als "rivulet theory" (rivier-theorie), die beschrijft hoe een dunne stroom vloeistof langs een oppervlak stroomt, om de geometrie van een smeltpool die op een vaste basis rust beter te representeren. Deze nieuwe aanpak stelde hen in staat om te berekenen hoe snel de instabiliteit zou groeien, waarbij rekening werd gehouden met het stabiliserende effect van het substraat dat de vloeistof op zijn plaats houdt.

De kern van hun ontdekking ligt in de timing. De onderzoekers ontdekten dat de snelheid waarmee de vloeistofinstabiliteit probeert het spoor uit elkaar te breken, vaak vergelijkbaar is met de snelheid waarmee het metaal stolt. In het verleden namen modellen aan dat de vloeistof voldoende tijd had om uiteen te vallen voordat het stolt, of dat de stolling zo snel gebeurde dat het niet uitmaakte. De nieuwe analyse laat zien dat deze twee processen tegen elkaar racen. Als de vloeistof snel stolt, kan het het spoor "afknijpen" voordat de instabiliteit de kans krijgt om groot te worden, wat balling voorkomt. Als de vloeistof langer heet blijft, krijgt de instabiliteit de tijd om te versterken, wat de karakteristieke heuvels en dalen van het defect creëert. Het team ontwikkelde een manier om deze competitie te meten, waarbij ze een "balling-fractie" definieerden die beschrijft hoeveel van de diepte van de smeltpool bijdraagt aan de uiteindelijke bult. Ze vonden dat diepere smeltpools, die langer nodig hebben om te stollen, eerder geneigd zijn grote defecten te ontwikkelen, zelfs als de vloeistof technisch gezien stabieler is in een puur vloeibare zin.

Om hun theorie te testen, voerde het team experimenten uit met een hogesnelheidscamera en synchrotron-röntgenstraling om het smelten van tantaal in beeld te brengen. Ze scanden het metaal met verschillende snelheden en vermogensniveaus, waarbij ze het exacte moment vastlegden waarop het vloeibare spoor fragmenteerde. De beelden onthulden een dynamisch proces waarbij de laser gesmolten metaal naar de achterkant van de pool duwt, waar het zich ophoopt tot een heuvel. Terwijl de laser naar voren beweegt, wordt het kanaal dat deze heuvel voedt smaller en stolt uiteindelijk, waardoor de toevoer wordt afgesneden en een solide bult achterblijft. De onderzoekers maten de snelheid waarmee het stollingsfront omhoog bewoog en vergeleken dit met de snelheid waarmee het vloeibare oppervlak omlaag bewoog. Ze vonden dat deze snelheden van dezelfde grootteorde waren, wat bevestigde dat geen van beide processen genegeerd kan worden. In hun dunne monsters, waar de smeltpool geen zijwanden had om ondersteuning te bieden, was de vloeistof zeer instabiel, wat leidde tot grote, dramatische balling-gebeurtenissen.

Een van de meest significante bevindingen van dit werk is dat de afstand tussen de bulten niet simpelweg gelijk is aan de lengte van de gesmolten pool, zoals veel eerdere theorieën aannamen. De röntgenbeelden toonden aan dat nadat een bult is gevormd en de pool is gebroken, de resterende vloeibare pool vaak te kort is om onmiddellijk een nieuwe breuk te veroorzaken. De laser blijft scannen, waardoor de pool wordt verlengd totdat deze eindelijk lang genoeg is om weer instabiel te worden. Dit creëert een vertraging, wat betekent dat de afstand tussen de uiteindelijke vaste bulten vaak veel groter is dan de theoretische lengte van de onstabiele golf. Deze observatie verklaart waarom experimentele metingen van de defect-afstand historisch gezien inconsistent waren met eenvoudige voorspellingen. De onderzoekers merkten ook op dat de vorm van de smeltpool diepgaand van belang is; ondiepe pools met een brede, platte bovenkant zijn veel vatbaarder voor uiteenvallen dan diepe, smalle pools, omdat het substraat in het ondiepe geval minder ondersteuning biedt aan de vloeistof.

Het model van het team voorspelt succesvol een vloeiende overgang van een perfect spoor naar een volledig gebald spoor, in plaats van een plotselinge omslag. Deze geleidelijke verandering komt overeen met wat er in de echte productie wordt gezien, waarbij defecten erger lijken te worden naarmate de omstandigheden veranderen, in plaats van dat ze in één klap verschijnen. De onderzoekers waarschuwen echter dat hun model een vereenvoudigd beeld is. Het richt zich op de strijd tussen vloeistofinstabiliteit en stolling, maar houdt geen volledige rekening met de complexe stromingen van vloeibaar metaal die worden gedreven door dampdruk of de aanwezigheid van poederdeeltjes. In hun experimenten met dunne monsters observeerden ze dat vloeistof door de laser naar achteren wordt geduwd, een mechanisme dat ook bijdraagt aan het defect. Hoewel hun op de rivulet gebaseerde theorie de essentiële rol van stolling vastlegt, erkennen ze dat een compleet beeld van het defect vereist dat men begrijpt hoe deze vloeistofstromen interageren met het stollingsproces.

Uiteindelijk biedt dit werk een duidelijker, realistischer kader om te begrijpen waarom metalen onderdelen deze defecten ontwikkelen. Door de smeltpool te behandelen als een rivulet op een oppervlak in plaats van een zweende cilinder, en door expliciet de race tussen stolling en uiteenvallen te berekenen, hebben de onderzoekers een instrument geboden dat ingenieurs kan helpen voorspellen wanneer balling zal optreden. Hun bevindingen suggereren dat men, om deze defecten te vermijden, zowel de geometrie van de smeltpool als de snelheid van stolling gezamenlijk moet beheren. Als het metaal te langzaam stolt ten opzichte van de instabiliteit, zal het spoor breken. Als het snel genoeg stolt, kan het spoor overleven. Dit inzicht brengt het vakgebied voorbij eenvoudige vuistregels en richting een kwantitatief begrip van de delicate balans die vereist is voor het printen van hoogwaardige metalen onderdelen.