HRL Laboratories heeft een doorbraak bereikt in de metallurgie met de aankondiging dat onderzoekers van de beroemde faciliteit een techniek hebben ontwikkeld voor het succesvol 3D-printen van zeer sterke aluminiumlegeringen, waaronder de typen Al7075 en Al6061, die de deur opent naar additieve fabricage van technisch relevante legeringen. Deze legeringen zijn zeer wenselijk voor vliegtuig- en auto-onderdelen en behoorden tot de duizenden die niet vatbaar waren voor additive manufacturing - 3D-printen - een probleem dat is opgelost door de HRL-onderzoekers. Een bijkomend voordeel is dat hun methode kan worden toegepast op extra legeringsfamilies zoals hogesterktestaal en op nikkel gebaseerde superlegeringen die momenteel moeilijk te verwerken zijn in additive manufacturing.

"We gebruiken een 70 jaar oude kiemvormingstheorie om een ​​100 jaar oud probleem met een 21e-eeuwse machine op te lossen. " zei Jager Martin, die samen met Brennan Yahata het team leidde. Beiden zijn ingenieurs in het Sensors and Materials Laboratory van HRL en promovendi aan de Universiteit van Californië, Santa Barbara studeert bij professor Tresa Pollock, een co-auteur van het onderzoek. Hun papieren 3D-printen van zeer sterke aluminiumlegeringen werd op 21 september gepubliceerd, 2017 uitgave van Natuur .

Additieve productie van metalen begint meestal met legeringspoeders die in dunne lagen worden aangebracht en worden verwarmd met een laser of een andere directe warmtebron om de lagen te smelten en te stollen. Normaal gesproken, als onlasbare aluminiumlegeringen met hoge weerstand zoals Al7075 of AL6061 worden gebruikt, de resulterende onderdelen lijden aan ernstige hittescheuren - een toestand waardoor een metalen onderdeel uit elkaar kan worden getrokken als een schilferig koekje.

HRL's nanodeeltjesfunctionaliseringstechniek lost dit probleem op door zeer sterke, niet-lasbare legeringspoeders te decoreren met speciaal geselecteerde nanodeeltjes. Het met nanodeeltjes gefunctionaliseerde poeder wordt in een 3D-printer gevoerd, die het poeder in lagen legt en elke laag met laser versmelt om een ​​driedimensionaal object te construeren. Tijdens het smelten en stollen, de nanodeeltjes fungeren als nucleatieplaatsen voor de gewenste microstructuur van de legering, het voorkomen van warmscheuren en het behoud van de volledige sterkte van de legering in het vervaardigde onderdeel.

Omdat smelten en stollen bij additive manufacturing analoog is aan lassen, HRL's nanodeeltjesfunctionaliteit kan ook worden gebruikt om onlasbare legeringen lasbaar te maken. Deze techniek is ook schaalbaar en maakt gebruik van goedkope materialen. Conventionele legeringspoeders en nanodeeltjes produceren printergrondstof met nanodeeltjes gelijkmatig verdeeld over het oppervlak van de poederkorrels.

"Ons eerste doel was uitzoeken hoe we het hete barsten helemaal konden elimineren. We probeerden de microstructuur te beheersen en de oplossing zou iets moeten zijn dat van nature gebeurt met de manier waarop dit materiaal stolt, ' zei Martijn.

Om de juiste nanodeeltjes te vinden, in dit geval nanodeeltjes op basis van zirkonium, het HRL-team schakelde Citrine Informatics in om hen te helpen de talloze mogelijke deeltjes te doorzoeken om degene te vinden met de eigenschappen die ze nodig hadden.

"Het gebruik van informatica was de sleutel, " zei Yahata. "De manier waarop metallurgie werd gedaan, was door het periodiek systeem voor legeringselementen te bewerken en meestal met vallen en opstaan ​​te testen. Het doel van het gebruik van informaticasoftware was een selectieve benadering van de nucleatietheorie die we kenden om de materialen te vinden met de exacte eigenschappen die we nodig hadden. Toen we ze vertelden waar ze naar moesten zoeken, hun big data-analyse verkleinde het veld van beschikbare materialen van honderdduizenden tot een select aantal. We gingen van een hooiberg naar een handvol mogelijke naalden."

Met deze opwindende nieuwe techniek, HRL staat in de voorhoede van een nieuw hoofdstuk in additive manufacturing van metalen voor onderzoek, industrie, en verdediging.