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Clark, … Alessandro OlivoGaku Okuma, Shuhei Watanabe, … Fumihiro WakaiScientific Reports volume 12, Articolo numero: 13716 (2022 ) Cita questo articoloLa fusione del letto di polvere laser è una tecnologia promettente per la deposizione locale e il controllo della microstruttura, ma soffre di difetti come la delaminazione e la porosità a causa della mancanza di comprensione delle dinamiche del pool di fusione.Per studiare il comportamento fondamentale del melt pool, sono necessari sensori sia geometrici che termici con elevate risoluzioni spaziali e temporali.Questo lavoro applica e integra tre tecnologie di rilevamento avanzate: imaging a raggi X di sincrotrone, telecamera IR ad alta velocità e telecamera IR ad alta risoluzione spaziale per caratterizzare l'evoluzione della forma del pool di fusione, il buco della serratura, il pennacchio di vapore e l'evoluzione termica in Ti –6Al–4V e custodie spot melt in acciaio inox 410.Oltre a presentare la capacità di rilevamento, questo documento sviluppa un algoritmo efficace per i dati di imaging a raggi X ad alta velocità per identificare con precisione le geometrie del pool di fusione.Sono inoltre implementati metodi di preelaborazione per i dati IR per stimare il valore di emissività ed estrapolare i pixel saturati.Vengono eseguite quantificazioni su velocità limite, dimensioni del pool di fusione, gradienti termici e velocità di raffreddamento, consentendo future dinamiche complete del pool di fusione e analisi della microstruttura.Lo studio scopre una forte correlazione tra i dati termici e quelli a raggi X, dimostrando la fattibilità dell'utilizzo di telecamere IR relativamente economiche per prevedere caratteristiche che attualmente possono essere catturate solo utilizzando costose immagini a raggi X di sincrotrone.Tale correlazione può essere utilizzata per il futuro controllo del pool di fusione basato sulla temperatura e la convalida del modello.La fusione a letto di polvere laser (L-PBF) è un popolare metodo di produzione di additivi metallici (AM) (noto anche come stampa 3D in metallo)1,2,3,4.Utilizza un raggio laser per formare la parte fondendo ripetutamente polveri sottili sulla superficie del substrato.Grazie al suo modo di deposizione specifico per strato e posizione, L-PBF può creare geometrie complesse che i metodi di produzione tradizionali non possono.Inoltre, in L-PBF, è possibile ottenere il controllo delle proprietà del materiale specifico del sito assegnando parametri di stampa specifici del sito5.Dati i vantaggi di cui sopra, L-PBF è già stato utilizzato in molti settori come quello medico, aerospaziale e della difesa6,7.Tuttavia, L-PBF soffre ancora di grandi tensioni residue, deformazioni, delaminazioni e porosità8,9,10.La mancanza di comprensione del processo di fusione e solidificazione in condizioni di non equilibrio è il principale ostacolo al raggiungimento di una deposizione di alta qualità11,12.Il pool di fusione e l'evoluzione del buco della serratura devono essere ben studiati per consentire il controllo locale della microstruttura e ridurre al minimo la formazione di difetti13.In particolare, sono necessarie misure del gradiente termico e della velocità al contorno solido-liquido.Il pool di fusione è il materiale in fase liquida delimitato dal confine mobile solido-liquido.Le proprietà del materiale di una parte stampata in 3D sono determinate dalla microstruttura risultante dal gradiente termico e dalla velocità limite da liquido a solido durante il processo di solidificazione14.Il buco della serratura è la zona di depressione del vapore al centro del bagno di fusione causata dal surriscaldamento, dalla vaporizzazione e dalla conseguente pressione di ritorno del vapore.La gravità del buco della serratura è criticamente correlata al livello di porosità del gas intrappolato durante il processo di fusione e solidificazione15,16.Si noti che la mancanza di fusione e il cracking a caldo possono introdurre ulteriore porosità, ma questi problemi sono su una scala molto più ampia che è generalmente considerata inaccettabile;pertanto, non sono trattati in questo documento.Questo lavoro si concentra principalmente sulla fusione e solidificazione in un singolo punto.Sebbene questo metodo abbia dei limiti nell'applicabilità alla scansione lineare tradizionale, offre una condizione di pool di fusione simile alla fusione spot casuale.La strategia di fusione spot viene scelta in questo articolo perché è un nuovo metodo che è sempre più popolare nell'AM in metallo, come evidenziato dalla letteratura recente (molto citata)17,18,19,20,21.Inoltre, una comprensione completa della fusione a punto singolo è essenziale per costruire una piattaforma per convalidare gli sforzi di modellazione, che possono quindi essere estesi a problemi più complessi.Il lavoro sperimentale di Dehoff et al.17 ha dimostrato che l'utilizzo della strategia di fusione spot può manipolare efficacemente la morfologia microstrutturale da colonnare a equiassiale.Inoltre, Raghavan et al.18 hanno impiegato simulazioni di melt-pool e un approccio di progettazione di esperimenti per quantificare l'effetto dei parametri di processo critici sulla frazione di grano equiassiale nelle parti AM prodotte dalla fusione a punti.Successivamente, Raghavan et al.22 hanno utilizzato le suddette relazioni processo-struttura per progettare una strategia di fusione a punti per fornire un controllo specifico del sito della microstruttura di costruzione.Un recente studio di Kamath et al.23 ha mostrato che la strategia spot melt potrebbe produrre una microstruttura più omogenea (tessitura cristallografica e frazione di fase) rispetto al raster melt.Inoltre, Nandwana e Lee19 hanno sottolineato che, a seconda delle condizioni di processo, la strategia di fusione spot può produrre un pool di fusione più ampio rispetto alla strategia di fusione raster (con conseguente migliore rifusione e adesione nella parte AM).La trasformazione di fase di vari materiali è stata studiata nella saldatura per fusione24,25,26, ma le piccole dimensioni (100–300 µm) e il rapido cambiamento di fase liquido-solido (ordine di grandezza m/s) del pool di fusione durante la fusione a punti portano enormi sfide per le misurazioni in situ in L-PBF7.Queste caratteristiche del pool di fusione L-PBF richiedono che la misurazione abbia un'elevata risoluzione sia spaziale (< 10 µm/pix) che temporale (> 10 kHz).Questo lavoro mira a: (1) Esplorare la fattibilità dell'utilizzo di metodi di rilevamento avanzati sincronizzati (ad esempio, imaging a raggi X ad alta velocità, imaging IR ad alta velocità e imaging IR ad alta spazialità) per osservare il pool di fusione sia dal punto di vista geometrico che prospettive termiche.(2) Sviluppare metodi di pre-elaborazione dei dati efficaci per gestire gli indesiderabili dei dati grezzi come basso contrasto, rumore elevato e pixel saturi.(3) Estrarre le proprietà fisiche critiche del pool di fusione in varie condizioni di lavorazione.(4) Stabilire le correlazioni quantitative tra i dati termici e a raggi X per consentire il controllo di qualità basato su un singolo sensore.Questa sezione riassume innanzitutto i metodi di rilevamento della qualità AM dei metalli.Quindi, i lavori relativi al monitoraggio del pool di fusione vengono esaminati in dettaglio dal punto di vista della velocità e della risoluzione spaziale.Successivamente, vengono esaminati gli studi di correlazione del segnale di rilevamento e della qualità di stampa.Alla fine, vengono riassunte le lacune della ricerca e viene introdotto l'approccio per affrontare queste limitazioni.I ricercatori hanno eseguito simulazioni, tra cui l'analisi degli elementi finiti e la fluidodinamica computazionale, per studiare la fisica fondamentale dei processi AM metallici;tuttavia, a causa della complessità del processo L-PBF, sono necessari studi con misurazioni affidabili27,28,29,30,31,32,33.Di conseguenza, sono stati eseguiti numerosi studi per la garanzia della qualità L-PBF con diversi sensori34.Le misurazioni nei processi AM includono metodi ex-situ e in-situ.I sensori ex-situ non sono vincolati dalle dimensioni dei sensori e quelli comunemente usati in AM includono la microscopia ottica (OM)35, la microscopia elettronica a trasmissione (TEM)35 e la diffrazione di retrodiffusione elettronica (EBSD)36.Possono misurare la microstruttura dei campioni costruiti dopo la produzione.Il sincrotrone27 e la diffrazione di neutroni28 sono disponibili per testare la composizione chimica del materiale e lo stress residuo attraverso lo spessore.La misurazione della porosità può essere ottenuta mediante scansioni TC e a raggi X37,38 e la topologia della superficie può essere acquisita mediante scansione 3D e interferometria39,40,41.I sensori in situ possono ottenere il monitoraggio della qualità durante il processo e consentire il controllo del processo.Includono sensori termici (ad es., termocoppia, camera a infrarossi e pirometro a infrarossi42,43,44), sensori ottici (ad es., camera CCD e CMOS, camera di saldatura45, camera ad alta velocità43), sensori radiologici (ad esempio, X ad alta velocità -ray imaging46) e sensori acustici/vibrazioni (ad es. microfono e sensore a reticolo di Bragg in fibra47).Più metodi di rilevamento in-situ ed ex-situ sono forniti nel documento di revisione di McCann et al.48, da cui solo metodi limitati possono ottenere il monitoraggio della velocità limite del pool di fusione solido-liquido.I metodi ex-situ offrono molti vantaggi per il controllo di qualità e la caratterizzazione della microstruttura, ma forniscono una visione limitata dei meccanismi di generazione dei difetti.Tra tutti i metodi di rilevamento, l'imaging a raggi X di sincrotrone è lo strumento più potente per ottenere un'elevata risoluzione spaziale e temporale durante l'imaging in situ.I ricercatori hanno utilizzato l'imaging a raggi X di sincrotrone per studiare la formazione del buco della serratura di L-PBF.Ad esempio, Martin et al.46 hanno utilizzato l'imaging a raggi X di sincrotrone per il monitoraggio del pool di fusione.Hanno scoperto che la rapida formazione e depressione del buco della serratura è una delle principali fonti di porosità a causa del gas di protezione e del vapore metallico intrappolati all'interno del componente solidificato.Zhao et al.7, Parab et al.49 e Guo et al.50 hanno utilizzato il dispositivo di imaging a raggi X ad alta velocità disponibile presso l'Advanced Photo Source (APS) Beam 32-ID-B nell'Argonne National Lab, che ha una risoluzione spaziale di 2 µm e un frame rate di 70 kHz.Sono stati catturati vari fenomeni significativi, tra cui la depressione del vapore, la dinamica del pool di fusione e l'espulsione di spruzzi di polvere.Ioannidou et al.51 hanno riassunto i siti di test L-PBF per l'imaging a raggi X di sincrotrone nel mondo.Quello di APS ha la più alta risoluzione spaziale e temporale tra tutte e cinque le località.Tuttavia, affidarsi solo all'imaging a raggi X non è sufficiente per comprendere appieno il comportamento del pool di fusione perché anche le informazioni termiche come la velocità di raffreddamento e i gradienti termici sono essenziali.Kurz et al.52 hanno scoperto che i parametri di elaborazione influenzano in modo significativo il gradiente termico e le velocità al contorno solido/liquido in base al modello fisico.Collins et al.52 hanno scoperto che i cambiamenti nell'input termico potrebbero portare a sollecitazioni residue, discontinuità e granulometrie e trame sfavorevoli attraverso cambiamenti nei parametri di stampa.Bayle et al.53 hanno combinato l'infrarosso (IR) ad alta velocità con un pirometro e hanno ottenuto una risoluzione spaziale di 100 μm/pix sul monitoraggio del pool di fusione.Allo stesso modo, Chivel et al.54 hanno utilizzato una configurazione simile e hanno raggiunto una risoluzione spaziale di 50 μm/pix.Heigel et al.55 hanno raggiunto una risoluzione spaziale di 36–52 μm/pix (la fotocamera è inclinata) sull'imaging IR attraverso un viewport su una macchina reale.Hooper56 ha utilizzato due telecamere coassiali ad alta velocità con una risoluzione spaziale di 20 μm/pix per misurare la velocità di raffreddamento e le velocità limite della superficie del pool di fusione.Qu et al.57 hanno sviluppato un metodo di imaging iperspettrale per osservare il pool di fusione e hanno stimato l'emissività dipendente dalla temperatura.Questi sforzi nel monitoraggio termico sono grandi tentativi, ma mancano tutti di informazioni dimensionali sul pool di fusione.Wakai et al.58 hanno combinato l'imaging a raggi X in situ con un pirometro per monitorare il pool di fusione di Ti–6Al–4V in L-PBF.Tuttavia, le risoluzioni spaziali e temporali del loro dispositivo (raggi X: 45 μm/pix con framerate 500 Hz, pirometro: 13,3 μm/pix con framerate 50 Hz) non erano abbastanza elevate per osservare rapidi cambiamenti termici e geometrici.Gould et al.59 hanno sincronizzato l'imaging a raggi X ad alta velocità con l'imaging IR ad alta velocità per studiare i processi L-PBF in tempo reale.Hanno osservato i fenomeni durante i processi di fusione e solidificazione come prugne di vapore e spruzzi, hanno quantificato la storia termica e le velocità di raffreddamento e hanno dimostrato il concetto di utilizzare raggi X sincronizzati ad alta velocità e imaging IR per monitorare il pool di fusione in L-PBF .Tuttavia, il loro lavoro non ha studiato gli effetti delle diverse condizioni di stampa (potenza laser e tempo di permanenza) e aveva una risoluzione spaziale IR limitata.C'è un'altra motivazione per il lavoro svolto in questo scritto.Attualmente, la geometria del pool di fusione in situ può essere ottenuta solo mediante imaging a raggi X ad alta velocità.Tuttavia, è impossibile implementare la sorgente di raggi X di sincrotrone in una vera stampante per il controllo qualità.Pertanto, vi è la necessità di ottenere informazioni sulla qualità di stampa mediante mezzi più accessibili ed economici, come l'imaging termico.Forien et al.60 hanno utilizzato un pirometro in situ per correlare con la misurazione a raggi X ex situ.Hanno scoperto che i dati del pirometro hanno un grande potenziale sulla previsione della porosità.Mohr et al.61 hanno combinato una telecamera IR con una telecamera NIR ad alta velocità per prevedere la mancanza di vuoti di fusione rilevati dalla micro-TC ex-situ.Questi due studi hanno costruito informazioni molto utili.Tuttavia, hanno ancora dei limiti poiché le misure di qualità sono ex-situ.Seede et al.62 hanno creato una mappa dei parametri di processo per prevedere la formazione di porosità e la microsegregazione.Questo lavoro è puramente ex-situ e la risoluzione della mappa di elaborazione è bassa.Mondal et al.63 hanno utilizzato la modellazione assistita dall'apprendimento automatico per prevedere la forma del pool di fusione e hanno calibrato il modello mediante prove sperimentali.Tuttavia, a causa dell'elevato costo computazionale degli algoritmi di apprendimento automatico, questo metodo è difficile da ottenere un calcolo in tempo reale con le tecnologie attuali.Allo stesso modo, Liu et al.64,65 hanno utilizzato un metodo basato sull'apprendimento automatico per prevedere la qualità della superficie in base ai dati di imaging.Tuttavia, questo metodo è relativamente lento e mira solo alla previsione a livello di livello.In sintesi, il processo L-PBF richiede il monitoraggio del processo in situ per comprendere meglio la fisica fondamentale.A causa della caratteristica unica (piscina di fusione in miniatura e ciclo termico rapido) del processo L-PBF, è necessario un monitoraggio geometrico e termico ad alto spazio e tempo, ma raramente riportato in letteratura.Inoltre, poiché le informazioni geometriche in situ ad alta velocità possono essere ottenute solo mediante l'imaging a raggi X di sincrotrone ad alto costo, per prevederle è necessario un metodo di rilevamento relativamente economico (come l'imaging termico).Il lavoro riportato in questo documento ha sincronizzato la fotocamera a raggi X in situ ad alta velocità e IR ad alta velocità per soddisfare il requisito di risoluzione temporale > 10 kHz e ha aggiunto una fotocamera IR spaziale ad alta velocità in situ personalizzata per soddisfare il < 10 µm requisito di risoluzione spaziale.Questo lavoro scopre forti correlazioni tra i dati dei raggi X ad alta velocità e delle immagini termiche, che sono state osservate con diverse condizioni di stampa per Ti–6Al–4V e acciaio inossidabile 410.Per studiare le dinamiche del pool di fusione basate su tecniche di monitoraggio avanzate sincronizzate, vale a dire (1) imaging a raggi X ad alta velocità e (2) imaging termico IR (sia ad alta velocità che ad alto spazio), la piattaforma di test esistente presso l'Advanced Photon Source (APS) è stato utilizzato e introdotto nella sezione "Impostazione della piattaforma di test".La preparazione dei campioni di prova e le condizioni di stampa di ciascun esperimento sono discusse nella sezione "Preparazione dei campioni e condizioni sperimentali".I metodi per preelaborare i dati a raggi X e IR sono presentati rispettivamente nelle sezioni "Metodi di pre-elaborazione dei dati a raggi X e di calcolo delle dimensioni" e "Calibrazione della termocamera, interpretazione dei dati mancanti e metodi di calcolo dei termini termici".Gli esperimenti in questo studio sono stati eseguiti presso la linea di luce 32-ID-B dell'APS, Argonne National Laboratory66,67,68,69.L'impianto di sincrotrone APS accelera gli elettroni quasi alla velocità della luce.Utilizza i raggi di energia deviati da un campo magnetico per eseguire esperimenti come l'imaging a raggi X ad alta velocità.La linea di luce 32-ID-B era uno dei siti di test in APS specializzati per la ricerca L-PBF.Lo schema dettagliato della piattaforma di test è illustrato in Fig. 1a.Per studiare il processo L-PBF, è stato utilizzato un laser a fibra di itterbio (IPG YLR-500-AC, USA) (lunghezza d'onda 1070 nm, profilo del raggio gaussiano, M2 misurato = 1,304, potenza massima 520 W e onda continua) per creare un pool di fusione sul campione (vedi Fig. 1a-c).Questo laser è stato reindirizzato da un galvanometro (IPG FLC 30, USA) dalla parte superiore della camera.La superficie del campione è stata posizionata a 3 mm sopra il punto focale del laser creando una dimensione del raggio di 95 µm (diametro 1/e2).Un fascio di raggi X con un'energia di prima armonica di 24,4 keV e una lunghezza d'onda corrispondente di 0,508 Å è stato deviato dal sincrotrone ed è entrato nel laboratorio.Questo raggio di raggi X è passato attraverso gli otturatori veloci, che sono stati utilizzati per proteggere il sistema di imaging controllando il tempo di esposizione (500 ns in questo lavoro).I raggi X sono quindi entrati nella camera di prova sottovuoto, sono passati attraverso il lato del campione, hanno catturato il pool di fusione e hanno illuminato il rivelatore di radiazioni (100 µm di spessore LuAG: Ce scintillatore).Tale illuminazione è stata riflessa da uno specchio a 45°, quindi catturata da una telecamera ad alta velocità con risoluzione spaziale di 2 µm a un frame rate di 70 kHz (Photron FastCam SA-Z, USA).(a) Il layout dell'apparecchiatura della linea di luce 32-ID-B, APS, Argonne National Lab.(b) Il layout della camera di prova nella linea di luce 32-ID-B, APS, Argonne National Lab che evidenzia i sensori utilizzati in questo lavoro.(c) L'illustrazione dell'angolo di visione dei raggi X ad alta velocità, IR ad alta velocità e IR ad alta velocità.Le proporzioni sono state ingrandite.Come mostrato in Fig. 1a, b, oltre all'imaging a raggi X ad alta velocità, il pool di fusione è stato monitorato da due telecamere IR: la telecamera IR ad alta velocità (Telops M3K, Canada) e la telecamera IR ad alto spazio personalizzata fotocamera (Micro-epsilon M1, Germania).La telecamera IR ad alta velocità era dotata di una lente di ingrandimento 1 × che produce una risoluzione spaziale di 30 µm e un campo visivo (FOV) di 1680 × 2160 µm, ed è stata calibrata a 2500 °C dal produttore attraverso test del corpo nero (la calibrazione dell'emissività e l'incertezza di misura saranno fornite rispettivamente nelle sezioni "Calibrazione della termocamera, interpretazione dei dati mancanti e metodi di calcolo dei termini termici" e "Incertezze").Lo spettro sensibile di questa telecamera IR ad alta velocità era di 1,5–5,4 µm e la velocità di rilevamento era di 20 kHz.A causa delle sue dimensioni ingombranti, la telecamera IR ad alta velocità è stata posizionata all'esterno della camera.Ha monitorato la camera attraverso una finestra di passaggio IR al fluoruro di calcio (Lesker CF Flanged Exotic Lens Viewports, USA).Lo spettro di trasmissione di tale finestra è fornito nell'Appendice A1.Come indicato in Fig. 1b, uno specchio rivestito di argento ca è stato adattato per riflettere la superficie superiore del campione sulla telecamera IR in modo che la telecamera IR ad alta velocità potesse avere una vista quasi perpendicolare della superficie del pool di fusione.Una telecamera IR ad alto spazio personalizzata è stata posizionata nel condotto laser per rivelare informazioni più dettagliate sulla superficie del pool di fusione.La telecamera IR ad alto spazio era dotata di un obiettivo telecentrico 3X personalizzato che produceva una risoluzione spaziale di 3,6 µm e un FOV di 260 × 195 µm.È stata calibrata a 1800 °C dal produttore tramite test del corpo nero (la calibrazione dell'emissività e l'incertezza di misura saranno fornite nella sezione "Calibrazione della termocamera, interpretazione dei dati mancanti e metodi di calcolo dei termini termici").Ha monitorato la superficie del pool di fusione a un frame rate di 1 kHz.Finora, questa configurazione personalizzata ha la più alta risoluzione spaziale tra i suoi pari.Poiché la lunghezza d'onda del laser (1070 nm) si sovrapponeva allo spettro sensibile dell'IR spaziale alto (850–1100 nm), all'interno del telecentrico è stato aggiunto un filtro notch bloccante da 1064 nm (Edmund Optics, USA) (diametro 12,5 mm, diametro esterno 6,0) obiettivo per proteggere il sensore della fotocamera.Il diagramma di trasmissione del filtro notch è riportato nell'Appendice A2.Le due telecamere IR, l'imaging a raggi X e il laser sono stati sincronizzati da un trigger analogico inviato da un generatore di segnali per garantire che tutta la raccolta dei dati iniziasse contemporaneamente.I campioni utilizzati in questo lavoro sono stati realizzati rispettivamente in acciaio inossidabile Ti–6Al–4V e 410 (410 SS).Questi due materiali sono stati scelti perché sono leghe generiche con ampie applicazioni.I campioni di Ti–6Al–4V sono stati ricavati da un foglio di Ti–6Al–4V battuto spesso 3,175 mm (grado 5) acquistato da TMS Titanium.La composizione della lega fornita dal produttore è elencata nell'Appendice A3.Il foglio è stato tagliato utilizzando la lavorazione a scarica elettrica a filo (WEDM) in fogli rettangolari più sottili con dimensioni di 3 mm (H) × 50 mm (L) × 0,7 mm (T).I fogli rettangolari sono stati quindi levigati fino a uno spessore nominale finale (T) di 500 µm (0,5 mm) con una finitura superficiale corrispondente a carta vetrata a grana 600.I campioni di 410 SS sono stati fabbricati utilizzando la deposizione di energia diretta laser alimentata a filo nel Manufacturing Demonstration Facility (MDF), Oak Ridge National Lab.La composizione chimica della materia prima è elencata nell'Appendice A4.L'EDM è stato utilizzato per tagliare la costruzione in fogli rettangolari con dimensioni di 3 mm (H) × 50 mm (L) × 0,5 mm (T).I fogli rettangolari sono stati quindi levigati fino a uno spessore finale approssimativo (T) di 300 µm (0,3 mm) con una finitura superficiale corrispondente a carta vetrata a grana 600.Gli esperimenti presentati in questo documento non hanno coinvolto la polvere.In effetti, gli studi sulla polvere su lastra imitano al meglio il processo di fusione a letto di polvere.Tuttavia, a causa della complessità degli esperimenti con le polveri (variazione delle dimensioni delle polveri, impaccamento, ossidazione, ecc.), sono necessarie molte ripetizioni per ottenere dati significativi con un'incertezza relativamente bassa.Lo scopo di questo lavoro era riportare i risultati per una gamma relativamente ampia di condizioni di lavorazione e ottenere una base per futuri studi sulla polvere su lastra.Pertanto, sono stati utilizzati piatti nudi.Si noti che lo spattering non influenzerà in modo significativo il risultato di questo documento poiché l'analisi viene eseguita in una piccola area che contiene solo il pool di fusione (dettagli forniti nella sezione "Calibrazione della termocamera, interpretazione dei dati mancanti e metodi di calcolo dei termini termici").La camera è stata prima messa sottovuoto a 2,7 Pa e poi riempita di nuovo con gas Argon fino a superare leggermente la pressione ambiente.Le condizioni sperimentali dettagliate sono fornite nella Tabella 1. Le prove 410 SS hanno cinque condizioni di stampa che coprono diverse condizioni del pool di fusione dalla conduzione al buco della serratura forte.Ogni condizione è stata ripetuta due volte, una con il filtro IR a bassa temperatura e l'altra con il filtro IR ad alta temperatura (informazioni sul filtro fornite nella sezione "Calibrazione della termocamera, interpretazione dei dati mancanti e metodi di calcolo dei termini termici").Le prove Ti–6Al–4V includevano dieci diverse condizioni di stampa con il filtro IR ad alta temperatura.Le prove n. 11-15 avevano lo stesso input di energia (in termini di un prodotto costante di potenza per tempo di sosta) e coprivano la modalità del pool di fusione dalla conduzione al buco della serratura.Le prove n. 16-20 sono state condotte per espandere le condizioni di lavorazione con diversi apporti energetici.L'imaging a raggi X può catturare il pool di fusione perché le densità delle regioni solide e liquide sono diverse.Tuttavia, questa differenza è così lieve che fa sì che le immagini abbiano bassi contrasti.Inoltre, il tempo di esposizione delle immagini a raggi X ad alta velocità è breve (500 ns), il che si traduce in una bassa luminosità delle immagini.Questi due problemi rendono il pool di fusione difficile da osservare nelle immagini radiografiche grezze (vedi Fig. 2a).Pertanto, è stata sviluppata una tecnica di preelaborazione per migliorare il contrasto dell'immagine.Per migliorare il confine e rimuovere lo sfondo, ogni valore di pixel nell'i-esima immagine a raggi X viene sottratto da quello corrispondente nel (ij)-esimo fotogramma, dove j è il ritardo tra i due fotogrammi di sottrazione e può essere determinato provando vari valori.Questo metodo segnerà anche il confine solido-liquido in movimento con una linea sottile che essenzialmente è l'area del pool di fusione modificata nel time-lapse di j frame.Il valore scelto di j è un compromesso tra la chiarezza del bordo del pool di fusione e l'efficacia della rimozione dello sfondo.In questo lavoro, j = 4 ha fornito il risultato ottimale.Successivamente, il contrasto delle immagini viene esaltato dal metodo di equalizzazione dell'istogramma con pixel saturati al 3%70.La Figura 2b dimostra che il pool di fusione elaborato è più evidente di quello non elaborato in Fig. 2a.L'imaging a raggi X ad alta velocità (a) non elaborato e (b) elaborato di un pool di fusione 410 SS.Gli sfondi sono stati tutti rimossi in quello elaborato e il confine del pool di fusione diventa chiaro.(c) La definizione dei termini dimensionali del pool di fusione.(d) L'immagine a raggi X ad alta velocità sincronizzata elaborata (prova n. 12) a t = 0,4 ms (i primi 1,1 ms è il tempo di ritardo del laser).(e) L'immagine IR ad alta velocità (ε = 0,12) del pool di fusione allo stesso timestamp.La regione tratteggiata bianca rappresenta i pixel utilizzati per il calcolo della temperatura limite media solido-liquido e la regione di colore grigio rappresenta letture non valide a causa della temperatura che supera la temperatura di calibrazione di fabbricazione.(f) L'immagine IR ad alta velocità corretta (ε = 0,12) del pool di fusione allo stesso timestamp.Si noti che il problema del valore mancante è stato risolto.(g) La conversione della temperatura tra diversi valori di emissività.(La Fig. 2d-g è discussa nella sezione "Calibrazione della termocamera, interpretazione dei dati mancanti e metodi di calcolo dei termini termici" e le temperature nelle Fig. 2e ed f sono tutte in °C).Dopo che il limite del pool di fusione è stato migliorato, la sua forma è stata quindi caratterizzata dai termini dimensionali: profondità (D), larghezza (W) (indicato anche come diametro del pool di fusione in questo lavoro), larghezza a un terzo della profondità (W1 ), e larghezza a due terzi della profondità (W2), illustrata in Fig. 2c.Anche Zhao et al.7 hanno utilizzato D e W per caratterizzare il melt pool.Il nostro lavoro utilizza termini di larghezza aggiuntivi W1 e W2 per ottenere una quantificazione più accurata della forma del pool di fusione.Le dimensioni del pool di fusione sono state determinate misurando direttamente il pool di fusione in pixel e quindi ridimensionando mediante la risoluzione spaziale di 2 µm dei raggi X.Il nostro lavoro utilizza anche i rapporti dimensionali (i rapporti tra tutti i termini di larghezza rispetto alla profondità (D)) per descrivere ulteriormente le forme del pool di fusione.Sono W/D, W1/D e W2/D.Le velocità che fondono i cambiamenti di profondità e larghezza del pool sono indicate rispettivamente come VD e VW.Questi due valori sono calcolati dal massimo D e W/2 (divisi per due perché la larghezza si restringe da entrambi i lati del pool di fusione) diviso per il tempo di raffreddamento tc.Come accennato nella sezione "Configurazione della piattaforma di test", per monitorare la superficie del bagno di fusione vengono utilizzate due telecamere IR, vale a dire IR ad alta velocità e IR ad alto spazio.Tutti i risultati del monitoraggio ei valori estratti si riferiscono alla temperatura in superficie.Per quanto riguarda la telecamera IR ad alta velocità, negli esperimenti sono stati utilizzati due diversi filtri.Il filtro a bassa temperatura ha un intervallo di misurazione da 0 a 217 °C (utilizzato per osservare il vapore) e il filtro ad alta temperatura da 628 a 2500 °C (utilizzato per osservare il bagno di fusione).Entrambi sono stati calibrati dal produttore tramite i test del corpo nero.Tuttavia, l'emissività (ε) deve ancora essere determinata a causa della variazione del materiale, della finitura superficiale, dell'intervallo di temperatura di misurazione e del blocco dalla finestra IR.Prendendo Ti–6Al–4V come esempio, la procedura di calibrazione è presentata come segue.Trova un set di dati a raggi X e IR sincronizzati con un ampio pool di fusione.Quindi, individuare il timestamp nei dati a raggi X (Fig. 2d) e IR (Fig. 2e) quando il pool di fusione ha una forma circolare.Si noti che la superficie del bagno di fusione può fluttuare e un bagno di fusione di forma circolare può fornire una calibrazione dell'emissività più accurata.Stimare il diametro del pool di fusione (W) con il metodo presentato nella sezione "Metodi di pre-elaborazione dei dati a raggi X e di calcolo delle dimensioni".Quindi individuare i pixel corrispondenti sul confine solido-liquido nei dati IR (pixel trattino bianco in Fig. 2e) e calcolare la temperatura media.Regolare l'emissività per fare in modo che la temperatura media dei pixel di confine (linea tratteggiata bianca in Fig. 2e) corrisponda alla temperatura del solido.In questo esempio è stata utilizzata la prova n. 12.A ε = 0,12, la temperatura limite media è di 1640 °C, che corrisponde strettamente alla temperatura di Ti–6Al–4V liquidus (è stata utilizzata la temperatura di liquidus perché il telaio è durante la fusione piuttosto che la solidificazione) riportata in letteratura 1655 °C16 .Questa emissività corrispondeva esattamente a quella presentata nel lavoro di Gould et al.59.Sulla base di questo metodo, si stima che l'emissività di 410 SS sia ε = 0,13.La temperatura di liquidus di 410 SS utilizzata per la calibrazione è 1450 °C71.La lettura minima delle termocamere IR con i valori di emissività specificati è 1486 °C e 1430 °C per Ti–6Al–4V e 410 SS, rispettivamente.Sono entrambi al di sotto del punto di fusione di questi due materiali.Come mostra la Fig. 2e, ci sono pixel non validi (colorati in grigio) al centro del pool di fusione dopo che l'emissività è stata regolata su ε = 0,12.Questo problema è dovuto alla presenza di un buco della serratura, dove la temperatura supera il range calibrato dal produttore.Anche la differenza di emissività tra gas e liquido può avere un ruolo.I valori di questi pixel possono essere stimati dal valore dello stesso pixel con un valore di emissività più elevato.Per stabilire la curva di estrapolazione, tutte le letture dei pixel tranne quelle cattive con ε = 0,12 e ε = 0,13 sono state accoppiate con la lettura del pixel campione con ε = 0,2 e tracciate in Fig. 2g.Poiché sono state osservate correlazioni lineari quasi perfette, sono state utilizzate per estrapolare i dati mancanti.La versione elaborata di Fig. 2e è mostrata in Fig. 2f, che non ha pixel difettosi.I dati estrapolati potrebbero non riflettere accuratamente il valore effettivo perché si presume che l'emissività sia costante per qualsiasi posizione, che in realtà cambierà a seconda della temperatura e della fase.Tuttavia, non esiste un modo per misurare con precisione l'emissività con temperature estremamente elevate (oltre 1727 °C).Per quanto ne sappiamo, la misurazione diretta dell'emissività di liquidi e gas di Ti–6Al–4V e 410-SS rimane sconosciuta72.Anche l'utilizzo di un'equazione teorica per estrapolare l'emissività non è accurato perché presuppone che la rugosità superficiale del materiale sia invariata, il che non è applicabile quando il solido si trasforma in liquido.Il metodo di calibrazione e interpretazione proposto in questo documento fornisce una base per la stima ed è sufficiente per scopi di controllo in situ.Per quanto riguarda la calibrazione della telecamera IR ad alto spazio, è stato applicato lo stesso metodo per determinare il valore di emissività.Grazie a un filtro notch personalizzato da 1070 nm aggiunto alla fotocamera, l'emissività di ciascun metallo è inferiore a quella utilizzata nell'IR ad alta velocità.Sono ε = 0,04 per Ti–6Al–4V e ε = 0,02 per 410 SS.Il problema dei pixel non validi si verifica anche per la telecamera IR ad alto spazio perché è stata calibrata solo a 1800 °C.Lo stesso metodo è stato utilizzato per estrapolare il valore mancante.Dopo che i dati grezzi sono stati corretti, vengono eseguite le estrazioni delle caratteristiche.Se non diversamente specificato, tutte le caratteristiche termiche (ad es. MPTEI e Tmax) si basano su osservazioni IR ad alta velocità con calibrazione ad alta temperatura.L'MPTEI (indice di energia termica del pool di fusione) è un termine definito in questo documento che ha una forte capacità di prevedere le informazioni geometriche del pool di fusione (che sarà discusso nella sezione "Analisi di correlazione e capacità di previsione delle informazioni del pool di fusione basata su IR").Aggiungi.Manuf.22, 302–306 (2018).Madre.Manuf.Innov.Madre.Des.Sci.J. Manuf.Sci.Ing.Madre.Aggiungi.Manuf.Aggiungi.Manuf.Madre.Sci.Tecnol.Madre.Aggiungi.Manuf.Aggiungi.Manuf.Aggiungi.Manuf.Madre.Des.Madre.Des.Sci.Aggiungi.Manuf.integratoreMadre.Manuf.Innov.5(1), 16–40 (2016).Aggiungi.Manuf.Aggiungi.Manuf.Aggiungi.Manuf.Madre.Des.J. Manuf.Sci.Ing.Aggiungi.Manuf.Int.J. Avv.Manuf.Tecnol.Aggiungi.Manuf.Aggiungi.Manuf.Manuf.Avv.Ing.Madre.Int.J. Avv.Manuf.Tecnol.Sci.Tecnol.Avv.Madre.Int.Sci.Tecnol.Puoi anche cercare questo autore in PubMed Google ScholarPuoi anche cercare questo autore in PubMed Google ScholarPuoi anche cercare questo autore in PubMed Google ScholarPuoi anche cercare questo autore in PubMed Google ScholarPuoi anche cercare questo autore in PubMed Google ScholarPuoi anche cercare questo autore in PubMed Google ScholarPuoi anche cercare questo autore in PubMed Google ScholarPuoi anche cercare questo autore in PubMed Google ScholarPuoi anche cercare questo autore in PubMed Google ScholarPuoi anche cercare questo autore in PubMed Google Scholar