Influence of Emissivity Calibration on Thermal History and Process–Property Relationships in Arc-Based Directed Energy Deposition

Het bouwen van grote metalen onderdelen laag voor laag is een proces dat de manier waarop ingenieurs over productie denken, heeft getransformeerd. Deze techniek, bekend als booggebaseerde gerichte energiedepositie (arc-based directed energy deposition), gebruikt een robotarm om een draad met een lasfakkel te smelten en deze laag voor laag af te zetten om een solide structuur te vormen. Het is een krachtige methode voor het snel en goedkoop creëren van middelgrote tot grote componenten, maar het brengt een verborgen risico met zich mee: hitte. Terwijl elke nieuwe laag wordt toegevoegd, behoudt het metaal eronder de warmte van de vorige passage. Als deze hitte niet zorgvuldig wordt beheerd, hoopt deze zich op, wat de manier waarop het metaal afkoelt en stolt verandert. Deze thermische geschiedenis bepaalt de interne structuur van het materiaal, wat op zijn beurt bepaalt of het uiteindelijke onderdeel sterk genoeg zal zijn om een brug te dragen of zwak genoeg zal zijn om te bezwijken onder spanning. Om dit te beheersen, moeten fabrikanten de exacte temperatuur van het metaal weten terwijl het afkoelt. Ze gebruiken vaak infraroodcamera's, die hitte als licht zien, om het proces in realtime te volgen. Deze camera's vertrouwen echter op een instelling genaamd emissiviteit — een maatstaf voor hoe goed een oppervlak warmte uitstraalt — wat lastig vast te stellen is op heet, ruw metaal. Als deze instelling onjuist wordt ingeschat, kan de temperatuurmeting er enorm naast zitten, wat leidt tot slechte beslissingen over de bouw van het onderdeel.

Een team onderzoekers van de Universiteit van Coimbra en het Polytechnische Instituut van Coimbra zette zich in om dit probleem van gokken op te lossen. Ze wilden weten hoeveel een foutieve inschatting van de emissiviteit het beeld van de thermische geschiedenis van het metaal zou verstoren en, uiteindelijk, hoe die verstoring de kennis over de sterkte van het onderdeel zou beïnvloeden. Om dit te ontdekken, bouwden ze drie identieke wanden van koolstofstaal met behulp van een robot-lasinstallatie. Vervolgens pasten ze drie verschillende regels toe voor de wachttijd tussen het toevoegen van de lagen. De twee wanden werden gebouwd met een strikte temperatuurlimiet: de robot zou pauzeren en wachten tot het metaal was afgekoeld tot ofwel 150 graden Celsius of 250 graden Celsius voordat de volgende laag werd toegevoegd. De derde wand werd gebouwd met een strikte tijdlimiet: de robot zou precies 30 seconden wachten tussen de lagen, ongeacht hoe heet het metaal daadwerkelijk was.

De onderzoekers volgden de groei van deze wanden met een infraroodcamera, maar ze plaatsten ook minuscule temperatuursensoren direct in het metaal om de werkelijke grondwaarheid te verkrijgen. Door het beeld van de camera te vergelijken met de metingen van de sensoren, ontdekten ze dat het vermogen van het metaal om warmte uit te stralen geen vast getal was. In plaats daarvan veranderde dit naarmate het metaal heter of kouder werd. Ze ontdekten dat het gebruik van een enkele, constante schatting voor deze instelling kon leiden tot enorme fouten in de temperatuurmeting, vooral wanneer het metaal erg heet was. Door een model te creëren dat de instelling aanpaste op basis van de huidige temperatuur, brachten ze de fout in hun metingen terug tot minder dan vier procent. Deze kalibratie stelde hen in staat om het ware thermische verhaal van elke wand te zien.

De resultaten toonden een scherp verschil tussen de strategieën. De wanden die gebouwd waren met temperatuurbeheersing koelden af in een gestaag, voorspelbaar ritme. Het metaal kreeg genoeg tijd om zijn hitte af te voeren, wat resulteerde in een fijne, uniforme interne structuur. Deze wanden vertoonden een specifieke afkoeltijd, gemeten als de duur die het kostte om van 800 naar 500 graden te dalen, van ongeveer 22 tot 27 seconden. In contrast hiermee leed de wand die gebouwd was met de 30-seconden timer aan ernstige hitteaccumulatie. Omdat de robot niet wachtte tot het metaal was afgekoeld, bleef de temperatuur stijgen en stabiliseerde deze uiteindelijk op een verzengende 730 graden Celsius. Het metaal kreeg nooit de kans om goed af te koelen, en de onderzoekers konden zelfs de standaard afkoeltijd voor de bovenste lagen niet meten omdat het metaal niet onder de 500 graden zakte.

Dit verschil in thermische geschiedenis had een directe en meetbare impact op de sterkte van het metaal. De twee wanden die gebouwd waren met temperatuurcontrole bleken opmerkelijk vergelijkbaar en sterk, met een maximale treksterkte van ongeveer 515 megapascal. Hun interne korrels waren klein en dicht op elkaar gepakt. De wand die gebouwd was met de 30-seconden timer was echter aanzienlijk zwakker, met een maximale sterkte van slechts 470 megapascal. De interne structuur was grover en onregelmatiger geworden, met grote korrels die ontstonden omdat het metaal te lang heet bleef. Hoewel deze zwakkere wand iets meer rekbaar was, miste zij de robuuste sterkte van de anderen. De studie concludeerde dat de 30-seconden timer een slechte strategie was voor dit materiaal, aangezien het leidde tot een kwaliteitsverlies dat een eenvoudige regel op basis van tijd niet kon voorkomen.

Misschien wel de meest cruciale bevinding was de gevaren van slechte data. De onderzoekers toonden aan dat als een ingenieur een standaard, niet-gekalibreerde schatting van de warmtestralende instelling had gebruikt, hij een compleet andere thermische geschiedenis voor de zwakke wand zou hebben berekend. Hij zou kunnen denken dat het metaal met een normale snelheid afkoelde, terwijl het in werkelijkheid op een gevaarlijke, hoge temperatuur stond. Deze fout zou ertoe hebben geleid dat hij zou geloven dat de eigenschappen van het metaal normaal waren, wat potentieel zou leiden tot het goedkeuren van een onderdeel dat structureel onveilig is. Het werk demonstreert dat voor een betrouwbare uitvoering van dit type productie, de infraroodcamera zorgvuldig moet worden afgestemd op de veranderende aard van het hete metaal. Zonder deze nauwkeurige kalibratie blijft de link tussen de hitte die de machine ziet en de sterkte die het onderdeel bezit gebroken, waardoor ingenieurs moeten gissen naar de veiligheid van de structuren die zij bouwen.