Diamond Light Source could transform additive manufacturing. La sorgente luminosa di Diamante potrebbe trasformare la produzione di additivi.
Diamond Light Source could transform additive manufacturing. The patent procedure ENEA RM2012A000637 is very useful in this application. / La sorgente luminosa di Diamante potrebbe trasformare la produzione di additivi. Il procedimento del brevetto ENEA RM2012A000637 è molto utile in questa applicazione.
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
Research into molten substances at the Diamond Light Source could have a big impact on additive manufacturing
The space-age silver disk of the Diamond Light Source sits in the Oxfordshire landscape like a recently landed flying saucer. Inside, powerful magnets accelerate electrons around a circuit shaped like a many-sided polygon and, at each shallow vertex, intense X-rays are directed into hutch-like laboratories where they are used to probe the properties of matter, helping uncover information about substances whose atoms form regular patterns. X-rays can penetrate crystals and the lattice structures of metals and their atoms scatter the radiation in characteristic ways that reveal how they are organized.
X-ray crystallography’s origins are in fundamental science. It has been instrumental in discoveries such as the structures of DNA and insulin, and it is widely used to help design drugs to attack viruses, bacteria and cancer.
It is also used by teams trying to find out what color dinosaur feathers were and reading the contents of ancient documents, among other things. But Diamond is also a center for industrial and engineering research, and a base for researchers looking at everything from the optimisation of automotive lubricants to probing the structures of engineering materials.
Prof Peter Lee’s research has a wider scope than most. Lee is a professor of X-ray Imaging at the University of Manchester but is based at Diamond’s Harwell campus, where he is assistant director of physical sciences. Lee’s research focuses on solidification and crystallisation of molten substances, which has taken his team into investigation of phenomena including the behaviour of magma inside active volcanoes, freezing of ice cream and, most relevant for engineering, how the processes involved in 3D printing (or additive manufacturing) influence the structure and properties of the materials formed in the process. This research has led Lee and his team to collaborate with Rolls-Royce on potential manufacturing processes for aerospace components, and the design of materials for surgical prosthetics that will bind to and encourage the growth of new bone through their structure.
Lee is involved with projects such as MAPP (Manufacture Using Advanced Powder Processes), the EPSRC’s £20m future manufacturing hub, which aims to usher forward the possibility of powders that are “active and designed, rather than passive elements in their processing”, where control of particles’ surface state and chemistry, internal structure, bulk chemistry, form, shape and size, will result in greater process efficiency and reliability, and product performance.
Another major project, AMAZE (Additive Manufacturing Aiming towards Zero Waste and Efficient Production of High-tech Metal Products), ran from 2013 to June of this year with €18m European Union funding and involved 26 organisations, including Renishaw on the supply side; Volvo, Airbus, BAE Systems and the European Space Agency on the user side; and the Manufacturing Technology Centre, University of Birmingham, Imperial College London and the Fraunhofer institutes as research partners. “The difficulty with the additive is that it works through trial and error,” Lee told reporters at a recent media event. “You can change the laser power, the powder density and so on but it’s trial and error how it comes out. We’ve made a machine that replicates the process in a way that we can X-ray. That’s allowed us to get all-new physics insights.”
Additive manufacturing aims to replicate the properties of wrought metal, Lee said. “Those properties include fine grain size with appropriate distribution of intermetallics, reinforcement phases, and often nano-precipitates that pin dislocation in the lattice, which improves strength. But, with additive processes, instead of having something that is very controlled as you are rolling it at a fixed temperature, you have a laser that heats at thousands of degrees a second, and you have molten pool afterwards that cools at thousands of degrees a second, and that produces completely different structures we really don’t know about.”
Understanding how additive forms structures in the metal and what effect this has on the properties could help refine the process by changing the conditions, Lee explained. “We find that the laser can disturb the powder. So, you can change the laser power but not just that, you can also use optics to change the distribution of the power by shaping the light. You can change the gas surrounding the printing, or the pressure of the gas, or the size of your particles and how they’re fed.”
With electron-beam printing, Lee has looked at ways of handling powder and operating the system so that the electron beam does not charge up the metal particles and cause them to repel each other electrostatically.
Lee’s current rig mimics the printing of a single layer of powder so that the X-ray beam arriving into the hutch illuminates the point where the laser melts the powder.
But this rig will soon be succeeded by another, designed to mimic a Rolls-Royce process for repairing turbine blades. These are not the single-crystal cast blades that operate in the hottest part of a turbine engine, Lee said, but blades designed for operation in the cooler, less-demanding part of the engine. Using single-piece blisks rather than individually made blades welded onto a hub has reduced the cost of turbines but made repairs more difficult, he said. Rolls-Royce wants to be able to take blisks with broken blades, machine down the damaged part and rebuild the lost portion using metal powder blown concentrically around the point where a laser strikes the metal.
Lee’s group has also worked with the Joint European Torus nuclear fusion experiment at nearby Culham, trying to improve how highly neutron flux-resistant materials can be welded to or printed onto metals with efficient heat transfer properties. In the medical field, surface treatment to functionalize the parts of surgical prostheses that contact bone are under study. “Knee implants used to have huge spindles that went right onto the bone but these are now much shorter because of a printed surface lattice mesh into which bone can grow. We can see that because the bone has different X-ray permittivity to metal,” he said.
Ice cream may seem trivial by comparison but is equally interesting technically, Lee said. “Taste depends on a lot of the structure; ice cream is made by shearing a mixture as it freezes to make small ice crystals. The crystals control how the taste molecules spread across the tongue; an ice cream with big crystals will taste sharper. Things such as fat inhibit ice growth, but so do other additives such as air bubbles, so we’re trying to find a way to make ice-cream where the crystals grow to like it had fat in it, so it tastes the same but has half the calories.”
ITALIANO
La ricerca sulle sostanze fuse nella fonte di luce di Diamante potrebbe avere un grande impatto sulla produzione di additivi
Il disco d'argento dell'età spaziale della fonte di luce di Diamante si trova nel paesaggio di Oxfordshire come un recente piattino volante. All'interno, i magneti potenti accelerano gli elettroni intorno ad un circuito a forma di poligono a molteplici facce e, ad ogni punto verticale, i raggi X intensi sono diretti in laboratori di tipo gabbia dove vengono utilizzati per sondare le proprietà della materia, aiutando a scoprire le informazioni sulle sostanze i cui atomi formano schemi regolari. I raggi X possono penetrare i cristalli e le strutture reticolare dei metalli e dei loro atomi diffondendo la radiazione in modi caratteristici che rivelano come sono organizzati.
Le origini della cristallografia a raggi X fanno parte della scienza fondamentale. È stato uno strumento nelle scoperte delle strutture del DNA e dell'insulina ed è ampiamente usato per aiutare a progettare farmaci per attaccare virus, batteri e cancro.
È anche usato dai gruppi che cercano di scoprire di quale colore erano le piume di dinosauro e di leggere il contenuto di documenti antichi, tra le altre cose. Ma Diamond è anche un centro di ricerca industriale e di ingegneria, e una base per i ricercatori per analizzare tutto dall'ottimizzazione dei lubrificanti automobilistici a sondare le strutture dei materiali ingegneristici.
La ricerca di Peter Lee ha una portata ampia. Lee è professore di X-ray Imaging presso l'Università di Manchester, ma si trova al campus di Harwell di Diamond, dove è assistente direttore delle scienze fisiche. La ricerca di Lee si concentra sulla solidificazione e la cristallizzazione delle sostanze fuse, che ha portato il suo gruppo all'indagine di fenomeni tra cui il comportamento del magma nei vulcani attivi, il congelamento del gelato e, più rilevanti per l'ingegneria, come i processi di produzione di stampa 3D influenzano la struttura e le proprietà dei materiali formati nel processo. Questa ricerca ha portato Lee e il suo gruppo a collaborare con Rolls-Royce sui processi di produzione potenziali per componenti aerospaziali e la progettazione di materiali per protesi chirurgiche che si legano e incoraggiano la crescita di nuove ossa attraverso la loro struttura.
Lee è coinvolto in progetti come la MAPP (Manufacturing Using Advanced Processes in polvere), il centro produttivo futuro della produzione di 20 milioni di sterline, che intende promuovere la possibilità di polveri "attive e progettate, piuttosto che elementi passivi nella loro lavorazione". il controllo dello stato di superficie e della chimica delle particelle, la struttura interna, la chimica di massa, la forma, la forma e le dimensioni, porteranno ad una maggiore efficienza e affidabilità dei processi e alle prestazioni del prodotto.
Un altro importante progetto, AMAZE (Produzione Addizionale che punta verso i rifiuti neri e la produzione efficiente dei prodotti metallici ad alta tecnologia), è passato dal 2013 al giugno di quest'anno con un finanziamento dell'Unione europea di 18 milioni di euro e ha coinvolto 26 organizzazioni, tra cui Renishaw sul lato dell'offerta; Volvo, Airbus, BAE Systems e l'Agenzia spaziale europea sul lato dell'utente; e il Centro di Tecnologia della Produzione, l'Università di Birmingham, l'Imperial College di Londra e gli istituti Fraunhofer come partner di ricerca. "La difficoltà con l'additivo è che il suo comportamento viene compreso attraverso prove e errori", ha detto Lee ai giornalisti in un evento di partecipazione recente con i media. "È possibile modificare la potenza del laser, la densità della polvere e così via ma ci si basa per la sua comprensione su prova ed errore. Abbiamo realizzato una macchina che replica il processo in modo che possiamo comprenderlo con l'uso dei raggi X. Questo ci ha permesso di ottenere nuove intuizioni di fisica. "
La produzione di additivi mira a replicare le proprietà del metallo fuso, ha detto Lee. "Queste proprietà includono granulometria con distribuzione appropriata di intermetallici, fasi di rinforzo e spesso nano-precipitati che realizzano la dislocazione nel reticolo, migliorando la resistenza. Ma con processi addizionali, invece di avere qualcosa che è molto controllato mentre lo si sta rotolando ad una temperatura fissa, hai un laser che si riscalda a migliaia di gradi al secondo e hai una piscina di fusione dopo che si raffredda a migliaia di gradi in secondo luogo, e che produce strutture completamente diverse di cui non sappiamo realmente comprendere la struttura ".
Capire come gli additivi formino strutture nel metallo e quali effetti hanno sulle proprietà potrebbe aiutare a raffinare il processo cambiando le condizioni, ha spiegato Lee. "Trovamo che il laser può disturbare la polvere. Quindi, è possibile modificare la potenza laser ma non solo, è possibile utilizzare anche l'ottica per modificare la distribuzione del potere modellando la luce. È possibile cambiare il gas che circonda la stampa o la pressione del gas, o le dimensioni delle particelle e come vengono alimentati ".
Con la stampa a fascio di elettroni, Lee ha esaminato i modi di manipolazione della polvere e il funzionamento del sistema in modo che il fascio di elettroni non carichi le particelle metalliche e li induca a respingersi a vicenda elettrostaticamente.
L'attrezzo attuale di Lee imita la stampa di un solo strato di polvere in modo che il raggio che arriva nella cascata illumina il punto in cui il laser scioglie la polvere.
Ma questo apparecchio sarà presto seguito da un altro, progettato per imitare un processo Rolls-Royce per la riparazione delle lame della turbina. Queste non sono le lamierine monocristalline che operano nella parte più calda di un motore a turbina, Lee ha detto, ma le lamierine progettate per funzionare nella parte più fredda e meno impegnativa del motore. Utilizzando pali rotanti a singolo pezzo piuttosto che lame personalizzate saldate su un mozzo ha ridotto il costo delle turbine, ma ha reso le riparazioni più difficili, ha detto. Rolls-Royce vuole essere in grado di prendere pali rotanti con le lame rotte, abbattere la parte danneggiata e ricostruire la parte perduta utilizzando polvere metallica soffiata concentricamente intorno al punto in cui un laser colpisce il metallo.
Il gruppo di Lee ha anche lavorato con l'esperimento di fusione nucleare congiunta europea Torus presso la vicina Culham, cercando di migliorare il grado di saldatura o stampa di materiali altamente resistenti al fluido di neutroni su metalli con proprietà efficienti di trasferimento del calore. Nel settore medico, il trattamento delle superfici per rendere funzionali le parti di protesi chirurgiche che contattano l'osso sono in fase di studio. "Gli impianti al ginocchio avevano grossi mandrini che andavano proprio sull'osso, ma ora sono molto più corti a causa di una rete reticolare stampata in cui può crescere l'osso. Possiamo vedere che l'osso ha una diversa resistenza ai raggi X per il metallo ", ha detto.
Il gelato può sembrare banale per confronto, ma è tecnicamente altrettanto interessante, ha detto Lee. "Il gusto dipende molto dal tipo di struttura; il gelato è fatto tagliando una miscela che si blocca per fare piccoli cristalli di ghiaccio. I cristalli controllano come le molecole di gusto si diffondono attraverso la lingua; un gelato con grandi cristalli avrà un sapore più brillante. Cose come il grasso inibiscono la crescita del ghiaccio, ma anche altri additivi come le bolle d'aria, quindi stiamo cercando di trovare un modo per fare il gelato dove i cristalli si sviluppano come se avessero un grasso in esso, quindi gusti lo stesso ma assumi metà delle calorie ".
Da:
https://www.theengineer.co.uk/diamond-light-source-additive/?cmpid=tenews_4097775&adg=CA40D8F0-63B9-4BE1-90A0-3379B1DDE40E
Commenti
Posta un commento