Els investigadors van investigar sistemàticament els efectes de la composició de l'aliatge sobre la imprimibilitat i la solidificació de les microestructures, per entendre millor com la composició de l'aliatge, les variables del procés i la termodinàmica van afectar les peces fabricades additivament. Mitjançant experiments d'impressió en 3D, van definir la química dels aliatges i els paràmetres de procés necessaris per optimitzar les propietats de l'aliatge i imprimir peces idèntiques i superiors a microescala. Mitjançant l'aprenentatge automàtic, van crear una fórmula que es pot utilitzar amb qualsevol tipus d'aliatge per ajudar a prevenir la no uniformitat.
Un nou mètode desenvolupat pels investigadors de Texas A&M optimitza les propietats de l'aliatge i els paràmetres de procés per crear peces metàl·liques impreses en 3D superiors. Aquí es mostra una micrografia electrònica acolorida d'un aliatge de pols de níquel utilitzat en l'estudi. Cortesia de Raiyan Seede.
Un nou mètode desenvolupat pels investigadors de Texas A&M optimitza les propietats de l'aliatge i els paràmetres de procés per crear peces metàl·liques impreses en 3D superiors. Aquí es mostra una micrografia electrònica acolorida d'un aliatge de pols de níquel utilitzat en l'estudi. Cortesia de Raiyan Seede.

Les pols metàl·liques d'aliatge utilitzades per a la fabricació additiva poden contenir una barreja de metalls, com el níquel, l'alumini i el magnesi, a diferents concentracions. Durant la impressió 3D de fusió de pols de llit làser, aquestes pols es refreden ràpidament després d'escalfar-les amb un raig làser. Els diferents metalls de la pols d'aliatge tenen diferents propietats de refrigeració i es solidifiquen a diferents velocitats. Aquesta inconsistència pot crear defectes microscòpics o microsegregació.

"Quan la pols d'aliatge es refreda, els metalls individuals poden precipitar-se", va dir l'investigador Raiyan Seede. "Imagina't abocar sal a l'aigua. Es dissol de seguida quan la quantitat de sal és petita, però a mesura que aboqueu més sal, les partícules de sal en excés que no es dissolen comencen a precipitar-se com a cristalls. En essència, això és el que passa als nostres aliatges metàl·lics quan es refreden ràpidament després de la impressió. Seede va dir que aquest defecte apareix com a petites butxaques que contenen una concentració lleugerament diferent dels ingredients metàl·lics de la que es troba a altres zones de la part impresa.

Els investigadors van investigar les microestructures de solidificació de quatre aliatges binaris a base de níquel. En experiments, van estudiar la fase física de cada aliatge a diferents temperatures i a concentracions creixents de l'altre metall de l'aliatge a base de níquel. Utilitzant diagrames de fase detallats, els investigadors van determinar la composició química de cada aliatge que provocaria la menor microsegregació durant la fabricació additiva.

A continuació, els investigadors van fondre una sola pista de la pols metàl·lica d'aliatge a diferents configuracions làser i van determinar els paràmetres del procés de fusió del llit de pols làser que lliurarien peces sense porositat.
Una imatge de microscopi electrònic d'escaneig d'una sola secció transversal d'exploració làser d'un aliatge de níquel i zinc. Aquí, les fases fosques i riques en níquel entrelacen fases més clares amb una microestructura uniforme. També es pot observar un porus a l'estructura de la piscina de fusió. Cortesia de Raiyan Seede.
Una imatge de microscopi electrònic d'escaneig d'una sola secció transversal d'exploració làser d'un aliatge de níquel i zinc. Les fases fosques i riques en níquel entrelacen fases més clares amb una microestructura uniforme. També es pot observar un porus a l'estructura de la piscina de fusió. Cortesia de Raiyan Seede.

La informació obtinguda dels diagrames de fase, combinada amb els resultats dels experiments d'una sola pista, va proporcionar a l'equip una anàlisi exhaustiva de la configuració del làser i de les composicions d'aliatge a base de níquel que podrien produir una peça impresa sense porositat sense microsegregació.

A continuació, els investigadors van entrenar models d'aprenentatge automàtic per identificar patrons en les dades experimentals d'una sola pista i els diagrames de fase, per desenvolupar una equació per a la microsegregació que es pogués utilitzar amb qualsevol aliatge. Seede va dir que l'equació està dissenyada per predir l'abast de la segregació donat el rang de solidificació de l'aliatge i les propietats del material i la potència i la velocitat del làser.

"Ens profunditzem per ajustar la microestructura dels aliatges perquè hi hagi més control sobre les propietats de l'objecte imprès final a una escala molt més fina que abans", va dir Seede.

A mesura que augmenta l'ús d'aliatges en AM, també ho faran els reptes d'imprimir peces que compleixen o superen els estàndards de qualitat de fabricació. L'estudi de Texas A&M permetrà als fabricants optimitzar la química dels aliatges i els paràmetres del procés perquè els aliatges es puguin dissenyar específicament per a la fabricació additiva i els fabricants puguin controlar les microestructures localment.

"La nostra metodologia facilita l'ús reeixit d'aliatges de diferents composicions per a la fabricació additiva sense la preocupació d'introduir defectes, fins i tot a microescala", va dir el professor Ibrahim Karaman. "Aquest treball serà de gran benefici per a les indústries aeroespacial, automotriu i de defensa que busquen constantment millors maneres de construir peces metàl·liques personalitzades".

El professor Raymundo Arroyavé i el professor Alaa Elwany, que van col·laborar amb Seede i Karaman en la investigació, van dir que les indústries poden adaptar fàcilment la metodologia per construir peces resistents i sense defectes amb l'aliatge que escolliu.