Istraživači su sistematski istraživali efekte sastava legure na mogućnost štampanja i očvršćavanja mikrostruktura, kako bi bolje razumjeli kako sastav legure, varijable procesa i termodinamika utiču na aditivno proizvedene dijelove. Kroz eksperimente 3D štampanja, definirali su hemiju legure i procesne parametre potrebne za optimizaciju svojstava legure i štampanje superiornih, identičnih dijelova na mikroskali. Koristeći mašinsko učenje, kreirali su formulu koja se može koristiti sa bilo kojom vrstom legure kako bi se sprečila neujednačenost.
Nova metoda koju su razvili istraživači Texas A&M optimizira svojstva legure i procesne parametre za stvaranje vrhunskih 3D štampanih metalnih dijelova. Ovdje je prikazan kolorirani elektronski mikrograf legure nikla u prahu korištene u studiji. Ljubaznošću Raiyan Seedea.
Nova metoda koju su razvili istraživači Texas A&M optimizira svojstva legure i procesne parametre za stvaranje vrhunskih 3D štampanih metalnih dijelova. Ovdje je prikazan kolorirani elektronski mikrograf legure nikla u prahu korištene u studiji. Ljubaznošću Raiyan Seedea.

Prahovi legiranih metala koji se koriste za aditivnu proizvodnju mogu sadržavati mješavinu metala, kao što su nikl, aluminij i magnezij, u različitim koncentracijama. Tokom 3D štampanja fuzionog praha laserskog kreveta, ovi prahovi se brzo hlade nakon što se zagreju laserskim snopom. Različiti metali u prahu legure imaju različita svojstva hlađenja i stvrdnjavaju se različitim brzinama. Ova nedosljednost može stvoriti mikroskopske nedostatke ili mikrosegregaciju.

"Kada se prah legure ohladi, pojedinačni metali mogu taložiti", rekao je istraživač Raiyan Seede. „Zamislite da sipate so u vodu. Otapa se odmah kada je količina soli mala, ali kako sipate više soli, višak soli koji se ne otapa počinje taloženje u obliku kristala. U suštini, to se dešava u našim metalnim legurama kada se brzo ohlade nakon štampanja.” Seede je rekao da se ovaj nedostatak pojavljuje kao sićušni džepovi koji sadrže nešto drugačiju koncentraciju metalnih sastojaka od one koja se nalazi u drugim dijelovima odštampanog dijela.

Istraživači su istraživali mikrostrukture očvršćavanja četiri binarne legure na bazi nikla. U eksperimentima su proučavali fizičku fazu za svaku leguru na različitim temperaturama i pri rastućim koncentracijama drugog metala u leguri na bazi nikla. Koristeći detaljne fazne dijagrame, istraživači su odredili hemijski sastav svake legure koja bi izazvala najmanju mikrosegregaciju tokom aditivne proizvodnje.

Zatim su istraživači istopili jednu stazu legiranog metalnog praha na različitim postavkama lasera i odredili parametre procesa fuzije sloja laserskog praha koji bi dali dijelove bez poroznosti.
Slika skenirajućeg elektronskog mikroskopa jednog laserskog skeniranog presjeka legure nikla i cinka. Ovdje tamne, niklom bogate faze prepliću svjetlije faze sa ujednačenom mikrostrukturom. Pora se također može uočiti u strukturi bazena taline. Ljubaznošću Raiyan Seedea.
Slika skenirajućeg elektronskog mikroskopa jednog laserskog skeniranog presjeka legure nikla i cinka. Tamne faze bogate niklom isprepliću svjetlije faze sa ujednačenom mikrostrukturom. Pora se također može uočiti u strukturi bazena taline. Ljubaznošću Raiyan Seedea.

Informacije dobijene iz faznih dijagrama, u kombinaciji s rezultatima eksperimenata na jednoj stazi, pružile su timu sveobuhvatnu analizu laserskih postavki i sastava legura na bazi nikla koji bi mogli dati otisnuti dio bez poroznosti bez mikrosegregacije.

Istraživači su zatim obučavali modele mašinskog učenja da identifikuju obrasce u eksperimentalnim podacima sa jednim kolosijekom i faznim dijagramima, kako bi razvili jednadžbu za mikrosegregaciju koja bi se mogla koristiti sa bilo kojom legurom. Seede je rekao da je jednadžba dizajnirana da predvidi obim segregacije s obzirom na raspon očvršćavanja legure i svojstva materijala te snagu i brzinu lasera.

„Duboko se bavimo finim podešavanjem mikrostrukture legura tako da postoji više kontrole nad svojstvima konačnog štampanog objekta na mnogo finijoj skali nego ranije“, rekao je Seede.

Kako se upotreba legura u AM povećava, tako će se pojaviti i izazovi za štampanje dijelova koji zadovoljavaju ili premašuju standarde kvaliteta proizvodnje. Texas A&M studija će omogućiti proizvođačima da optimiziraju hemiju legure i procesne parametre tako da legure mogu biti dizajnirane posebno za proizvodnju aditiva, a proizvođači mogu kontrolirati mikrostrukture lokalno.

“Naša metodologija olakšava uspješnu upotrebu legura različitih sastava za aditivnu proizvodnju bez brige o uvođenju defekata, čak i na mikroskali”, rekao je profesor Ibrahim Karaman. “Ovaj će posao biti od velike koristi za zrakoplovnu, automobilsku i odbrambenu industriju koje stalno traže bolje načine za izradu metalnih dijelova po mjeri.”

Profesor Raymundo Arroyavé i profesor Alaa Elwany, koji su sarađivali sa Seedeom i Karamanom na istraživanju, rekli su da se metodologija može lako prilagoditi od strane industrije za izradu čvrstih dijelova bez kvarova od legure po izboru.