Onderdelen additief vervaardigd met AF-9628, een staal van de luchtmacht, zijn ongeveer 20 procent sterker dan conventionele AM-legeringen, in termen van uiteindelijke treksterkte, volgens onderzoek uitgevoerd door Capt. Erin Hager, een medewerker van het Air Force Research Laboratory en recent afgestudeerd aan het Air Force Institute of Technology's Aerospace Engineering Program.

AF-9628 is een staallegering ontwikkeld door Dr. Rachel Abrahams van AFRL die een hoge sterkte en taaiheid biedt. De Formule, bijgenaamd Rachel's staal, kost minder dan sommige andere hoogwaardige staallegeringen, waaronder Eglin Steel en HP-9-4-20; echter, het is duurder dan de gangbare soorten die in conventionele munitie worden gebruikt. AF-9628 is uniek omdat het geen wolfraam bevat, zoals Eglin Steel of kobalt, onderdeel van de formule voor HP-9-4-20, die zich in de Massive Ordnance Penetrator bevindt, een 30, Bom van 000 pond die activa vernietigt in goed beschermde faciliteiten.

Hagers onderzoek, gesponsord door de Air Force Research Laboratory Munitions Directorate bij Eglin AFB, Florida, heeft vastgesteld dat AF-9628 een optimaal materiaal is voor additive manufacturing vanwege zijn hoge sterkte. Hoewel deze bevindingen vergelijkbaar zijn met waarden die zijn gerapporteerd in een vergelijkbare studie van het Amerikaanse leger Combat Capabilities Development Command Army Research Laboratory, Hager leverde vergelijkbare mechanische eigenschappen op als conventioneel gesmeed en warmtebehandeld AF-9628. Dr. Sean Gibbons, een onderzoeksmateriaalingenieur bij het directoraat Munitions met expertise op het gebied van staal, beschrijft deze bevinding als 'spannend'.

In samenwerking met Rachel's Steel, Hager gebruikte poederbedfusie, een soort additieve fabricage waarbij een laser selectief poeder in een patroon smelt om driedimensionale objecten te creëren. Elke laag is voltooid, de printer geeft meer poeder af op het bouwgebied, en het proces gaat door totdat het onderdeel is voltooid.

"Om te bepalen of AF-9628 afdrukbaar was, we hebben de vorm en grootte van het poeder gekarakteriseerd en [geïdentificeerd] hoe het veranderde met smelten en zeven, "zegt Hager. Ze onderzocht het onder een scanning-elektronenmicroscoop bij AFIT en voerde tests uit aan het University of Dayton Research Institute met behulp van een lichtmicroscoop die de grootte kenmerkt.

Hager leverde de chemische samenstelling van AF-9628 staal aan Powder Alloy Corp., een fabrikant in Cincinnati, Ohio. Toen ze het poeder had gekregen en had vastgesteld dat het voorspelbaar smolt in de machine, ze ging verder met het maken van echte testartikelen. Na het afdrukken van verschillende onderdelen, ze analyseerde de resulterende porositeit, sterkte en slagvastheid.

Ze legde uit dat veel "legeringen niet erg geschikt zijn voor [additive manufacturing]". Bijvoorbeeld, "bepaalde legeringen smelten niet en barsten veel als je daadwerkelijk een onderdeel probeert te maken." Echter, toen Hager haar delen onderzocht, ze merkte op dat de mechanische eigenschappen "redelijk goed" waren. Ze vond geen tekenen van scheuren en beschreef de output als "zeer vergelijkbaar met traditioneel vervaardigde onderdelen."

Na een grondiger onderzoek, ze stelde vast dat de onderdelen "voldeden aan de vereiste rek van 10 procent, wat wijst op een grotere sterkte zonder broos te worden." Hager legt uit dat de onderdelen "rechtstreeks uit de machine voldeden of overtroffen [specificaties]".

Nadat ze met succes eenvoudige onderdelen had gemaakt, Hager begon met het afdrukken van complexe ontwerpen, waaronder verschillende ingewikkelde projectielen. Ze gebruikte twee machines bij AFIT en drukte ongeveer 130 artikelen, waaronder 30 kleine cilinders, 60 grotere cilinders, 20 trekstaven en 20 inslagmonsters.

De onderdelen die ze maakte zijn geschikt voor wapentoepassingen. Toen de luchtmacht aanvankelijk AF-9628 ontwikkelde voor bunkerbrekende bomtoepassingen, "het oorspronkelijke idee was om het doordringende wapen van de toekomst te maken met precies het gewenste explosieve profiel."

Hager legt uit dat additive manufacturing "[ingenieurs] in staat stelt om [munitie] alleen te belasten waar dat nodig is." uiteindelijk, dit "maakt lichtere munitie mogelijk die net zo diep gaat, zodat [vliegtuig] meer van deze wapens kan dragen, " ze zegt.

Volgens UDRI-ingenieurs, terwijl additieve fabricage (in sommige gevallen) op efficiënte wijze complexe vormen kan fabriceren tegen lagere kosten dan traditionele fabricage, het proces kan restspanningen achterlaten in onderdelen als gevolg van de snelle verwarming en afkoeling tijdens het bouwproces.

Hager zei dat "additief is geen precisieproces, dus het is moeilijk om geometrische toleranties aan te houden en omdat de items er ruw uit kunnen komen, ze ondergaan soms veel nabewerkingen."

Dr. Philip Flater, een werktuigbouwkundig ingenieur die leiding geeft aan de Additive Manufacturing-groep van het directoraat Munitions die dit onderzoek heeft gesponsord, legde uit dat dit het polijsten en/of warmtebehandeling van ruwe oppervlakken kan inhouden om materiaaldefecten zoals poriën op te lossen en optimale mechanische eigenschappen te bereiken.

Terwijl Hager zei dat ruwheid en porositeit geen ideale eigenschappen zijn in functionele onderdelen die herhaaldelijk worden gebruikt, ze legde uit dat onderdelen voor munitie items voor eenmalig gebruik zijn.

Voor nu, het AF-9628-poeder is alleen beschikbaar in zeer kleine productiehoeveelheden en bedrijven kunnen er maanden over doen om het te formuleren. Als zodanig, terwijl AF-9628 een minder duur staal is, ze zei dat "de poedervorm [momenteel] niet dezelfde kostenbesparingen oplevert" omdat de vraag laag is.

"Het is niet gebruikelijk voor klanten om hogesterktestaal in poedervorm te vragen, " ze legde uit.

Hager hoopt dat dit vroege succes zal leiden tot een grotere interesse in hogesterktestaalsoorten.

"Er is niet veel staalonderzoek, " ze zei, eraan toevoegend dat lopende "studies voornamelijk titanium en composieten omvatten."

Hager is van plan om het woord over haar bevindingen te verspreiden, en ze hoopt dat de luchtmacht "dit hogesterktestaal zal nemen en met nieuwe toepassingen zal komen waar we nog niet eens aan hebben gedacht." Onlangs presenteerde ze haar onderzoek tijdens een internationale poedermetallurgieconferentie en een munitie- en ballistieksymposium.

Momenteel, ze werkt bij AFRL's Materials and Manufacturing Directorate in het kantoor voor geavanceerde energietechnologie, waar ze nieuwe energietechnologieën onderzoekt die de luchtmacht kan gebruiken om kosten te verlagen. Als lid van de luchtvaartgroep, Hager richt zich op alternatieve brandstoffen, lichtgewicht en weerstandsbeperkende maatregelen.

AFRL's munitiedirectoraat leidt verdere onderzoeksinspanningen met additief vervaardigde munitie. Het doel is om munitie te maken met nauwkeurig gecontroleerde fragmentatie- en explosiedrukprofielen die nevenschade tot een minimum beperken.