blog

Nov 24, 2023

Real

Relatórios Científicos volume 12,

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 9865 (2022) Citar este artigo

1727 Acessos

1 Citações

Detalhes das métricas

A integridade intra e intercamada de componentes fabricados com técnicas avançadas de fabricação, como fusão a laser em leito de pó, depende de processos rápidos de aquecimento, fusão e solidificação. Há uma necessidade de novas técnicas para fornecer feedback in situ desses processos. Aqui é descrita uma técnica ultrassônica baseada em laser para sondar os efeitos térmicos induzidos por um laser de onda contínua de alta potência em amostras de titânio. Simulações numéricas foram realizadas para mostrar que, para um feixe de aquecimento espacialmente uniforme, as ondas acústicas de superfície induzidas por laser são fortemente influenciadas pelas condições de aquecimento da superfície, são dispersivas no caso de aquecimento rápido e que uma redução abrupta da velocidade ocorre no início da superfície Derretendo. Além disso, são fornecidos resultados experimentais de ultrassom baseados em laser que monitoram a mudança transitória do tempo de viagem da onda de superfície associada ao aquecimento da superfície do laser de alta potência. Um laser pulsado é usado para gerar ondas acústicas de superfície de alta frequência que se propagam através da região aquecida pelo laser e são detectadas usando um interferômetro baseado em cristal fotorrefrativo. Concordância qualitativa é observada entre teoria e experimento com ambos mostrando uma rápida redução na velocidade da onda de superfície no início da iluminação e diminuição adicional na velocidade da onda de superfície associada à fusão. É demonstrado que as mudanças na velocidade da onda de superfície podem ser usadas para rastrear o aquecimento local e detectar o início da fusão da superfície em tempo real.

Os lasers têm sido amplamente utilizados em aplicações de processamento e fabricação de materiais, incluindo corte a laser, soldagem, ablação, perfuração, texturização de superfície e manufatura avançada1. Nessas aplicações, a energia do laser é absorvida por um material levando ao aquecimento local, fusão e vaporização, e o controle in situ desses processos induzidos por laser é fundamental para garantir a integridade do produto final2. Por exemplo, na fusão de leito de pó a laser, um objeto é construído em camadas consecutivas por fusão a laser de pó distribuído mecanicamente sobre a superfície de construção3,4. A integridade intra e intercamada depende dos processos rápidos de aquecimento, fusão e solidificação, durante os quais é provável que se formem defeitos e descontinuidades de material3,4,5,6. Se a potência do laser de aquecimento for muito alta para uma determinada velocidade de varredura, pode levar à evaporação do material de uma poça de fusão, uma força de recuo subsequente e colapso da poça de fusão, resultando em porosidade no componente. Alternativamente, um baixo poder de aquecimento do laser pode levar a um processo incompleto de fusão e solidificação e falta de defeitos de fusão7,8. Os parâmetros ideais do laser, definidos como aqueles necessários para produzir uma peça com o menor número de defeitos de processamento, são difíceis de determinar a priori devido à complexidade do processo e variáveis ​​adicionais, incluindo qualidade do pó e variações máquina a máquina nas características do laser9.

O sucesso das técnicas de fabricação baseadas em laser, como a fusão em leito de pó, depende da capacidade do operador de definir e controlar as variáveis ​​do processo, como potência e velocidade do laser10,11. A avaliação não destrutiva pode auxiliar nesse processo e fornecer feedback in situ sobre a qualidade da construção, de forma que as variáveis ​​do processo possam ser ajustadas em tempo real12. Vários métodos de avaliação não destrutivos, como imagens térmicas, imagens ópticas e ultrassom convencional, têm sido empregados para monitorar construções de fusão de leito de pó de laser9,12. Essas técnicas oferecem acesso remoto ao local de interação laser-material de alta temperatura. A imagem térmica pode fornecer informações sobre a distribuição da temperatura da superfície, e a imagem óptica pode ser usada para verificar as alterações na morfologia da superfície9. A emissão acústica convencional e o ultrassom podem potencialmente fornecer dados adicionais sobre o processo de construção13. No caso da emissão acústica, o som gerado durante o processo de aquecimento do laser é detectado por meio de um microfone ou transdutor e analisado para inferir informações sobre o processo14. Usando técnicas de processamento de sinal, incluindo aquelas que empregam aprendizado de máquina, é possível categorizar a interação laser-material em diferentes regimes15.