Pesquisadores do Universidade do Texas em El Paso, trabalhando com Laboratórios Nacionais Sandia e Associados FARdesenvolveram um método para aproximar a absortividade do Inconel 625 durante a fusão em leito de pó, analisando dados de termometria de radiação in situ coletados durante a fusão em leito de pó por feixe de elétrons (PBF-EB/M). Relatado em Cartas de Fabricação Aditivao estudo mostra que a absortividade diminui drasticamente à medida que o materials passa do pó aquecido para um estado totalmente fundido, caindo aproximadamente 60% em temperaturas elevadas.
A absortividade afeta fortemente a fusão do leito de pó, controlando a eficiência com que a energia da fonte de calor é absorvida pelo materials. No entanto, os modelos de processo geralmente tratam-no como uma constante, principalmente porque as medições diretas in situ são difíceis de realizar devido ao plasma, respingos e outras emissões. Os autores sugerem que a pirometria de múltiplos comprimentos de onda, combinada com um balanço de energia e extrapolação espectral, oferece uma maneira prática de estimar a absortividade em condições reais de processamento.
Aproximando a absortividade de medições espectrais in situ
Os experimentos usaram um comercial Aditivo GE Sistema de fusão de leito de pó por feixe de elétrons Arcam A2X para processar pó Inconel 625. Uma parte cilíndrica foi monitorada por 18 camadas consecutivas com um pirômetro de múltiplos comprimentos de onda, que registrou dados de temperatura e emissão espectral durante o pré-aquecimento, varredura de fusão e resfriamento.
Ao contrário da pirometria padrão de duas cores, o método de múltiplos comprimentos de onda resolve a temperatura sem depender da emissividade, ao mesmo tempo que mede a intensidade do sinal espectral em uma faixa calibrada de 1080–1637 nm. Usando essas medições, os pesquisadores ajustaram modelos polinomiais aos espectros e estenderam as estimativas de emissividade para comprimentos de onda mais curtos (1064–1070 nm), correspondendo aos comprimentos de onda do laser infravermelho próximo usados na fusão de leito de pó a laser (PBF-LB/M).
Usando a lei da radiação térmica de Kirchhoff e assumindo equilíbrio térmico native, os valores de emissividade extrapolados foram considerados iguais à absortividade no mesmo comprimento de onda e temperatura.
A absortividade cai à medida que o Inconel 625 derrete
A análise dos dados agregados mostra uma tendência clara e repetível. Durante a varredura de fusão, à medida que as temperaturas subiram das condições de pré-aquecimento para a faixa de fusão inicial e depois para o estado totalmente fundido, a intensidade do sinal medida diminuiu continuamente.
Após o início da varredura por fusão, os valores de absortividade estavam na faixa de ~0,5–0,6. À medida que o materials passou para o estado fundido, a absortividade caiu abaixo de 0,2 em 1.064 nm e 1.070 nm. Esse padrão foi consistente em todas as camadas monitoradas.
Os autores discutem como a absortividade pode mudar à medida que o pó passa para o estado líquido e comparam suas descobertas com estudos anteriores que relatam valores de absortividade mais altos sob diferentes condições, incluindo processamento a laser em modo buraco de fechadura, onde a absorção pode aumentar. Eles também observam que as medições no PBF-LB/M são necessárias para levar em conta os efeitos específicos do processo.
Implicações para modelagem e controle de processos
A maioria dos dados de absortividade existentes para fusão em leito de pó metálico vem de calorimetria ex situ ou medições de refletividade tomadas em temperaturas bastante baixas. Em vez disso, este estudo mede o comportamento do materials em temperaturas de até cerca de 1400 °C, o que está mais próximo das condições reais de fusão.
Embora as medições tenham sido obtidas usando fusão em leito de pó por feixe de elétrons, os autores observam que o comportamento radiativo térmico é independente da própria fonte de irradiação. Eles sugerem que a abordagem pode orientar a modelagem e os experimentos relevantes para a fusão do leito de pó a laser, ao mesmo tempo em que enfatizam que as medições diretas de PBF-LB/M ainda são necessárias para serem totalmente representativas.
Os pesquisadores argumentam que adicionar absortividade dependente de temperatura e fase às simulações de processos poderia melhorar as previsões do comportamento da poça de fusão, respingos e formação de defeitos. Eles também apontam para métodos de controle baseados em absortividade, como o ajuste da potência durante o início e o fim dos vetores de varredura.
Limites e trabalho futuro
O estudo não reproduz totalmente as condições de fusão do leito de pó a laser, que incluem efeitos do processo, como plumas de plasma, fluxo de gás inerte e formação de buraco de fechadura que podem alterar as condições de absorção. Os autores afirmam que a implementação de medições semelhantes dentro de um sistema de fusão de leito de pó a laser é uma direção para trabalhos futuros.
Abordar estas diferenças é particularmente relevante à medida que as ferramentas de simulação se tornam mais sofisticadas. Avanços recentes em plataformas como FLUXO-3D AM refletem um esforço de toda a indústria para modelar a geometria da poça de fusão, gradientes térmicos e formação de defeitos usando fluxo de fluido acoplado e física de transferência de calor. No entanto, a precisão preditiva destas simulações depende de parâmetros confiáveis de entrada de materials, incluindo absortividade e sua variação com temperatura e fase. Os dados de absortividade dependentes de fase e de alta temperatura tornam-se cada vez mais importantes.
Ao mesmo tempo, métodos baseados em dados também estão sendo desenvolvidos para conectar assinaturas de processos com microestrutura e desempenho. Um recente Modelo de IA da Arizona State College mostraram que as entradas do histórico térmico podem ser usadas para prever resultados microestruturais na fabricação aditiva de metallic.
Quer sejam baseadas na física ou orientadas por dados, essas abordagens dependem de representações precisas do acoplamento de energia na poça de fusão. Medições in situ que rastreiam como a absortividade muda durante a fusão podem reduzir a incerteza nos fluxos de trabalho de simulação e modelagem preditiva.
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A imagem apresentada mostra a intensidade do sinal versus temperatura, mostrando excursões de varredura de fusão. Imagem by way of Universidade do Texas em El Paso.