Additieve fabricage van metaal (AM) belooft een revolutie teweeg te brengen in de manier waarop we bepaalde onderdelen produceren en gebruiken. Vermindering van materiaalverspilling en arbeidstijd, metal AM vereenvoudigt de stappen voor het maken van onderdelen met complexe geometrie in vergelijking met conventionele productiemethoden.

Echter, honderden zeer kleine defecten (~10-50 micrometer) kunnen tijdens het proces ontstaan, een uitdaging als het gaat om het garanderen van vertrouwen in de structurele prestaties van het product. De technische impact van deze defecten is niet goed begrepen; en, op een gebied waar certificeringen en normen hoogtij vieren, het is moeilijk om deze onderdelen te verwerken vanwege het gebrek aan verwerkingsgegevens en standaardprotocollen.

Onderzoekers van het Johns Hopkins Applied Physics Laboratory (APL), in Laurier, Maryland, om de invloed van verschillende defecten op de mechanische prestaties van AM-materialen beter te begrijpen. In "Het blootleggen van de gekoppelde impact van defectmorfologie en microstructuur op het trekgedrag van Ti-6Al-4V vervaardigd via laserpoederbedfusie, " onlangs gepubliceerd in het Journal of Materials Processing Technology, ze leveren gegevens om de effecten van defecten te begrijpen en besluitvorming mogelijk te maken.

Een methode om metalen AM-onderdelen te bouwen, is selectief lasersmelten, een proces dat metaalpoeders smelt en versmelt met behulp van laserenergie. "Laserpoederbedfusie is een dominante technologie voor additieve productie die zijn potentieel nog moet bereiken, " zei corresponderend auteur Steven Storck, een werktuigbouwkundig ingenieur in APL's Research and Exploratory Development Department (REDD). "Het probleem is dat er tijdens het printen soms kleine belletjes of poriën ontstaan, en deze poriën creëren onzekerheid in sterkte of prestaties in delen van de afgewerkte producten."

Er zijn twee natuurlijke soorten verwerkingsfouten:gebrek aan fusie en sleutelgat. De eerste treden op wanneer er niet genoeg energie is om het metaalpoederbed volledig te smelten; sleutelgatdefecten treden op wanneer een overmatige energiedichtheid een vloeistofdynamische instabiliteit in het gesmolten poederbed vormt. Aangezien de energiedichtheid boven of onder de optimale niveaus afwijkt, de hoeveelheid en de omvang van de gebreken nemen toe.

Storck, samen met REDD-coauteurs Timothy Montalbano, Salahudin Nimer, Christoffel Peitsch, Joe Sopcisak en Doug Trigg, en Brandi Briggs en Jay Waterman van de Naval Air Warfare Center Aircraft Division, heeft opzettelijk beide soorten defecten in monsters geïntroduceerd om te bepalen hoe ze de mechanische eigenschappen van de onderdelen beïnvloeden.

De resultaten toonden aan dat hoewel grote hoeveelheden van elk type defect ongunstig zijn, het is gunstiger om in het sleutelgatdomein te zijn - met een vergelijkbare concentratie van defecten - dan in het ontbrekende fusiedomein. Het team ontdekte ook dat microstructurele verfijning rond een sleutelgatdefect het verzwakkende effect van het defect kan tegengaan. Zelfs tot 4-5% porositeit in het sleutelgatdomein resulteert in dezelfde vloeigrens als een onderdeel met verwaarloosbare porositeit, een doelstatistiek die veel werktuigbouwkundigen gebruiken om onderdelen te ontwerpen.

"We hebben de laserverwerkingsomstandigheden aangepast om natuurlijke fouten in het proces te simuleren en hebben drie vergelijkbare hoeveelheden defecten in het sleutelgat en gebrek aan fusiedomeinen gegenereerd, " legde Storck uit. "Toen, we hebben materiaal van elke verwerkingsconditie gescand en gekwantificeerd met behulp van röntgencomputertomografie om de grootte en distributie van het defect in kaart te brengen, en vergeleken monsters die deze resulterende defecten bevatten in monotone spanningstesten om het voorkeursdefectdomein voor een bepaald aantal defecten te bepalen."

Dit onderzoek maakte deel uit van de voortdurende inspanningen van APL met het Naval Air Systems Command om de effecten van defecten in additive manufacturing te begrijpen. "Ons huidige onderzoek gebruikt deze bevinding nu in combinatie met machine learning om de manier waarop we materialen verwerken te herschrijven met lasersmelten, ' zei Storck.

"Dit werk is een cruciale stap in het leggen van de basis om de kwalificatie van AM-onderdelen in de toekomst mogelijk te maken. " voegde Morgan Trexler toe, die het programma Science of Extreme and Multifunctional Materials van REDD beheert. "Een algemeen begrip van de invloed van de effecten van verwerkingsomstandigheden op de resulterende microstructuur en eigenschappen van een materiaal en onderdeel zal de wetenschappelijke basis bieden om protocollen mogelijk te maken voor een veilige implementatie van additief vervaardigde onderdelen."