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Ein neuer Durchbruch im 3D-Druck!

Mit der kontinuierlichen Entwicklung und Weiterentwicklung des 3D-Drucks sind Echtzeitüberwachung und Diagnosekonstruktion zu einem wichtigen Werkzeug für die Herstellung hochwertiger Teile geworden, insbesondere in aufkommenden Drucktechnologien wie dem Liquid Metal Jetting (LMJ).

Beim LMJ werden winzige geschmolzene Metalltröpfchen mit hoher Geschwindigkeit aus Düsen ausgestoßen, um 3D-Druckteile in Schichten zu erzeugen, ähnlich wie bei Tintenstrahldruckern im Verbrauchermarkt. Im Gegensatz zum laserbasierten 3D-Metalldruckverfahren benötigt diese Technologie kein Metallpulver, da der Umgang mit und die Abfallmaterialien gefährlich ist. Die Diagnose, die verwendet wird, um einen qualitativ hochwertigen LMJ-Druck zu gewährleisten, hängt heute stark von Hochgeschwindigkeitskameras ab, die teure Ausrüstung erfordern, schwierig einzurichten sein und große Datenmengen generieren können. Obwohl es ausreichend ist, um Testdrucke in wenigen Sekunden auszuwerten, ist es keine praktikable Lösung für längere Builds.

Forscher des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) versuchen, dieses Problem mit einem neuen Diagnosewerkzeug zu lösen, das die Qualität von Metalltröpfchen bestimmen und den LMJ-Druck in Echtzeit überwachen kann. Dieses Verfahren verwendet eine niederfrequente elektromagnetische Nahfelddetektion, um die Dynamik der Metalltröpfchen zu erfassen. In Kombination mit der Simulation liefert es nur Informationen über die Tröpfcheneigenschaften basierend auf Signalamplitude und -phase.

Ein neuer Durchbruch im 3D-Druck!

Forscher sagen, dass die Möglichkeit, nur einen Parameter zur Charakterisierung von Tröpfchen zu verwenden, die Menge der erforderlichen Daten erheblich reduziert, was eine langfristige LMJ-Druckverarbeitung und -rückmeldung ermöglicht. Diese Arbeit wurde im Journal of Applied Physics online veröffentlicht und vom Herausgeber als Sonderartikel ausgewählt.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass der Einsatz von Millimeterwellen-Detektionsmethoden verwendet werden kann, um Flüssigmetallstrahlen in situ zu überwachen“, sagte Hauptautorin und LLNL-Ingenieurin Tammy Chang. „Das ist spannend, denn es bedeutet, dass wir rechenintensive optische Hochgeschwindigkeitsdiagnosen mit hoher Auflösung ersetzen können, um eine Leistungsbewertung in Echtzeit und eine Feedback-Steuerung zu erreichen, um qualitativ hochwertige gedruckte Metallteile zu gewährleisten.“

Durch diese neue Technologie entdeckten sie groß angelegte Trends wie Druckänderungen und Anomalien an der Düse sowie die mikroskopischen Eigenschaften der Tröpfchen, einschließlich Größe, Position und Dynamik. Chang sagte, dass das Team elektromagnetische Simulation verwendet hat, um die Tröpfcheneigenschaften zu simulieren, wodurch das Team die physikalischen Prinzipien der elektromagnetischen Streuung verstehen und wie sich Änderungen der erfassten Signalamplitude und -phase auf die Tröpfcheneigenschaften auswirken.

Die Forscher sagten, dass das Ergebnis dieser Studie eine „kompakte und nicht-invasive“ Diagnosemethode ist, die Tröpfchen in der LMJ-Maschine mit einer höheren Druckrate als zuvor unterscheiden und andere Funktionen des Drucksystems erkennen kann. Sie kamen zu dem Schluss, dass die Fähigkeit, Tröpfcheneigenschaften basierend auf nur einem Parameter zu erfassen, letztendlich das Versprechen eines Feedback-Systems zeigt, in dem eine schnelle Echtzeitverarbeitung verwendet werden kann, um Druckeinstellungen anzupassen und die Teilequalität sicherzustellen.

LLNL-Ingenieur Andy Pascall, der Co-Autor des Papiers, sagte: „Der saubere Ausstoß eines Tintentropfens ist der Schlüssel zu einer guten Druckqualität.“ „Die Hochgeschwindigkeitskamera befindet sich in unserem Labor, wo wir neue Druckparameter testen. Sie funktioniert in einer großen Umgebung gut, wird aber nie in der Produktion eingesetzt. Die Millimeterwellen-Diagnose ist eine enorme Verbesserung, da sie in den Drucker integriert werden kann , erfordert keinen optischen Zugriff und liefert Daten, die in Echtzeit analysiert werden können, um festzustellen, ob Tröpfchen von hoher Qualität sind. Diese Art der Diagnose wird in einer Produktionsumgebung sehr nützlich sein.“

Forscher sagen, dass in Zukunft die Signalverarbeitungstechnologie verwendet werden kann, um optische und Millimeterwellenmessungen zu korrelieren und Tröpfcheneigenschaften nur basierend auf Millimeterwellenergebnissen vorherzusagen. Die von LLNL-Forschern und ihren Mitarbeitern entwickelte Verarbeitungsarbeit wird derzeit überprüft.

Diese Arbeit ist Teil eines dreijährigen laborgeführten Forschungs- und Entwicklungsprojekts (LDRD), das darauf abzielt, akustische und elektromagnetische Überwachungsmethoden für die additive Fertigung von Metallen zu entwickeln. Es unterstützt LLNLs On-Demand-Tröpfchen-Flüssigmetallausstoßarbeit unter der Leitung von Pascall und dem Physiker Jason Jeffries.

Der Laborwissenschaftler und Teamleiter für zerstörungsfreie Bewertung, Joe Tringe, entwarf das ursprüngliche Grundkonzept der Diagnose sowie ein umfassenderes LDRD-Forschungsprojekt zur akustischen und elektromagnetischen Diagnose der additiven Fertigung von Metallen.

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