In de afgelopen decennia is 3D-printen op metaal heeft de leiding genomen bij het maken van aangepaste onderdelen met ingewikkelde vormen en hoge functionaliteit. Maar omdat fabrikanten van additieven meer legeringen hebben toegevoegd voor hun 3D-printbehoeften, dus hebben de uitdagingen in het creëren van uniform, defectvrije onderdelen.

Een nieuwe studie door onderzoekers van de Texas A&M University heeft het proces van het maken van superieure metalen onderdelen verder verfijnd met behulp van laserpoederbedfusie 3D-printtechnieken. Door een combinatie van machine learning en single-track 3D-printexperimenten te gebruiken, ze hebben de gunstige legeringschemie en procesparameters geïdentificeerd, zoals lasersnelheid en kracht, nodig om onderdelen met uniforme eigenschappen op microschaal af te drukken.

"Onze oorspronkelijke uitdaging was ervoor te zorgen dat er geen poriën in de geprinte onderdelen zitten, want dat is de voor de hand liggende moordenaar voor het maken van objecten met verbeterde mechanische eigenschappen, " zei Raiyan Seede, promovendus bij de afdeling Materials Science and Engineering. "Maar nadat we die uitdaging in ons vorige werk hebben aangepakt, in dit onderzoek, we duiken diep in het verfijnen van de microstructuur van legeringen, zodat er meer controle is over de eigenschappen van het uiteindelijke geprinte object op een veel fijnere schaal dan voorheen."

De onderzoekers hebben hun bevindingen gepubliceerd in het tijdschrift Additieve productie .

Net als andere 3D-printmethoden, laserpoederbedfusie bouwt ook laag voor laag 3D metalen onderdelen op. Het proces begint met het rollen van een dunne laag metaalpoeder op een basisplaat en het vervolgens smelten van het poeder met een laserstraal langs sporen die het dwarsdoorsnedeontwerp van het beoogde onderdeel volgen. Vervolgens, een andere laag van het poeder wordt aangebracht en het proces wordt herhaald, geleidelijk het laatste deel opbouwen.

Gelegeerde metaalpoeders die worden gebruikt voor additieve productie kunnen behoorlijk divers zijn, met een mengsel van metalen, zoals nikkel, aluminium en magnesium in verschillende concentraties. Tijdens het afdrukken, deze poeders koelen snel af na verhitting door een laserstraal. Aangezien de afzonderlijke metalen in het legeringspoeder zeer verschillende koeleigenschappen hebben en bijgevolg met verschillende snelheden stollen, deze mismatch kan een soort microscopische fout creëren die microsegregatie wordt genoemd.

"Als het legeringspoeder afkoelt, de afzonderlijke metalen kunnen neerslaan, "Zei Seede. "Stel je voor dat je zout in water giet. Het lost meteen op als de hoeveelheid zout klein is, maar als je meer zout giet, de overtollige zoutdeeltjes die niet oplossen beginnen als kristallen neer te slaan. In essentie, dat is wat er gebeurt in onze metaallegeringen als ze snel afkoelen na het printen."

Hij zei dat dit defect eruitziet als kleine zakjes met een iets andere concentratie van de metalen ingrediënten dan andere delen van het geprinte deel. Deze inconsistenties brengen de mechanische eigenschappen van het geprinte object in gevaar.

Om dit microdefect te verhelpen, het onderzoeksteam onderzocht de stolling van vier legeringen die nikkel en een ander metaalbestanddeel bevatten. Vooral, voor elk van deze legeringen, ze bestudeerden de fysieke toestanden of fasen die aanwezig zijn bij verschillende temperaturen voor toenemende concentraties van het andere metaal in de op nikkel gebaseerde legering. Van gedetailleerde fasediagrammen, ze konden de chemische samenstelling van de legering bepalen die zou leiden tot minimale microsegregatie tijdens additive manufacturing.

Volgende, ze smolten een enkel spoor van het legeringsmetaalpoeder voor verschillende laserinstellingen en bepaalden de procesparameters die porositeitsvrije onderdelen zouden opleveren. Vervolgens, ze combineerden de informatie die was verzameld uit de fasediagrammen met die uit de enkelsporige experimenten om een ​​geconsolideerd beeld te krijgen van de laserinstellingen en nikkellegeringssamenstellingen die een porositeitvrij geprint onderdeel zouden opleveren zonder microsegregatie.

Laatste, de onderzoekers gingen een stap verder en trainden machinale leermodellen om patronen in hun enkelsporige experimentgegevens en fasediagrammen te identificeren om een ​​vergelijking te ontwikkelen voor microsegregatie die van toepassing is op elke andere legering. Seede zei dat de vergelijking is ontworpen om de mate van segregatie te voorspellen gezien het stollingsbereik, materiële eigenschappen, en laserkracht en snelheid.

"Onze methodologie vereenvoudigt het succesvolle gebruik van legeringen van verschillende samenstellingen voor additieve fabricage zonder de zorg voor het introduceren van defecten, zelfs op microschaal, " zei Ibrahim Karaman, Chevron Professor I en hoofd van de afdeling materiaalkunde en engineering. "Dit werk zal van groot nut zijn voor de lucht- en ruimtevaart, automobiel- en defensie-industrieën die voortdurend op zoek zijn naar betere manieren om op maat gemaakte metalen onderdelen te bouwen."

Onderzoeksmedewerkers Raymundo Arroyavé en Alaa Elwany voegden eraan toe dat het unieke van hun methodologie ligt in de eenvoud, die gemakkelijk door industrieën kunnen worden aangepast om stevige, defectvrije onderdelen met een legering naar keuze. Ze merkten op dat hun aanpak in contrast staat met eerdere inspanningen die voornamelijk gebaseerd waren op dure, tijdrovende experimenten voor het optimaliseren van verwerkingsomstandigheden.