Výzkumníci systematicky zkoumali účinky složení slitiny na potiskovatelnost a tuhnutí mikrostruktur, aby lépe pochopili, jak složení slitiny, procesní proměnné a termodynamika ovlivňují aditivně vyráběné díly. Prostřednictvím experimentů s 3D tiskem definovali chemické složení slitin a parametry procesu potřebné k optimalizaci vlastností slitiny a tisku vynikajících, identických dílů v mikroměřítku. Pomocí strojového učení vytvořili vzorec, který lze použít s jakýmkoli typem slitiny, aby pomohl zabránit nestejnoměrnosti.
Nová metoda vyvinutá výzkumníky Texas A&M optimalizuje vlastnosti slitiny a procesní parametry pro vytvoření vynikajících 3D tištěných kovových dílů. Zde je zobrazen kolorovaný elektronový mikrosnímek práškové slitiny niklu použité ve studii. S laskavým svolením Raiyan Seede.
Nová metoda vyvinutá výzkumníky Texas A&M optimalizuje vlastnosti slitiny a procesní parametry pro vytvoření vynikajících 3D tištěných kovových dílů. Zde je zobrazen kolorovaný elektronový mikrosnímek práškové slitiny niklu použité ve studii. S laskavým svolením Raiyan Seede.

Prášky legovaných kovů používané pro aditivní výrobu mohou obsahovat směs kovů, jako je nikl, hliník a hořčík, v různých koncentracích. Během 3D tisku s práškovou fúzí laserového lože se tyto prášky po zahřátí laserovým paprskem rychle ochladí. Různé kovy v prášku slitiny mají různé chladicí vlastnosti a tuhnou různou rychlostí. Tato nekonzistence může vytvářet mikroskopické vady nebo mikrosegregaci.

"Když se slitinový prášek ochladí, jednotlivé kovy se mohou vysrážet," řekl výzkumník Raiyan Seede. „Představte si, že nasypete sůl do vody. Když je množství soli malé, okamžitě se rozpustí, ale když nasypete více soli, přebytečné částice soli, které se nerozpustí, se začnou srážet jako krystaly. To je v podstatě to, co se děje v našich kovových slitinách, když po tisku rychle vychladnou.“ Seede řekl, že tato vada se jeví jako drobné kapsičky obsahující mírně odlišnou koncentraci kovových složek, než jaké se nacházejí v jiných oblastech tištěného dílu.

Vědci zkoumali mikrostruktury tuhnutí čtyř binárních slitin na bázi niklu. V experimentech studovali fyzikální fázi pro každou slitinu při různých teplotách a při zvyšujících se koncentracích druhého kovu ve slitině na bázi niklu. Pomocí podrobných fázových diagramů vědci určili chemické složení každé slitiny, které způsobí nejmenší mikrosegregaci během výroby aditiv.

Dále výzkumníci roztavili jednu stopu slitinového kovového prášku při různých nastaveních laseru a určili parametry procesu fúze laserového práškového lože, které by poskytly díly bez poréznosti.
Snímek z rastrovacího elektronového mikroskopu jednoho řezu laserem ze slitiny niklu a zinku. Zde tmavé fáze bohaté na nikl prokládají světlejší fáze s jednotnou mikrostrukturou. Ve struktuře lázně taveniny lze také pozorovat pór. S laskavým svolením Raiyan Seede.
Snímek z rastrovacího elektronového mikroskopu jednoho řezu laserem ze slitiny niklu a zinku. Tmavé fáze bohaté na nikl prokládají světlejší fáze s jednotnou mikrostrukturou. Ve struktuře lázně taveniny lze také pozorovat pór. S laskavým svolením Raiyan Seede.

Informace získané z fázových diagramů v kombinaci s výsledky z jednostopých experimentů poskytly týmu komplexní analýzu nastavení laseru a složení slitin na bázi niklu, které by mohly poskytnout tištěný díl bez poréznosti bez mikrosegregace.

Výzkumníci dále trénovali modely strojového učení, aby identifikovali vzory v jednostopých experimentálních datech a fázových diagramech, aby vyvinuli rovnici pro mikrosegregaci, která by mohla být použita s jakoukoli slitinou. Seede řekl, že rovnice je navržena tak, aby předpovídala rozsah segregace vzhledem k rozsahu tuhnutí slitiny a vlastnostem materiálu a výkonu a rychlosti laseru.

„Hluboce se ponoříme do jemného ladění mikrostruktury slitin tak, abychom měli větší kontrolu nad vlastnostmi finálního tištěného předmětu v mnohem jemnějším měřítku než dříve,“ řekl Seede.

S rostoucím používáním slitin v AM porostou i problémy s tiskem dílů, které splňují nebo překračují standardy kvality výroby. Studie Texas A&M umožní výrobcům optimalizovat chemii slitin a parametry procesu tak, aby slitiny mohly být navrženy speciálně pro aditivní výrobu a výrobci mohli řídit mikrostruktury lokálně.

"Naše metodika usnadňuje úspěšné použití slitin různého složení pro aditivní výrobu bez obav ze zavedení defektů, a to i v mikroměřítku," řekl profesor Ibrahim Karaman. "Tato práce bude velkým přínosem pro letecký, automobilový a obranný průmysl, který neustále hledá lepší způsoby, jak vyrábět zakázkové kovové díly."

Profesor Raymundo Arroyavé a profesor Alaa Elwany, kteří na výzkumu spolupracovali se Seedem a Karamanem, uvedli, že tato metodika může být snadno přizpůsobena průmyslovým odvětvím k výrobě odolných dílů bez defektů s jejich zvolenou slitinou.