Forskerne undersøgte systematisk virkningerne af legeringssammensætning på trykbarhed og størkning af mikrostrukturer for bedre at forstå, hvordan legeringssammensætning, procesvariabler og termodynamik påvirkede additivt fremstillede dele. Gennem 3D-printeksperimenter definerede de legeringskemierne og procesparametrene, der kræves for at optimere legeringsegenskaber og udskrive overlegne, identiske dele i mikroskala. Ved hjælp af maskinlæring skabte de en formel, der kan bruges med enhver form for legering for at forhindre uensartethed.
En ny metode udviklet af Texas A&M-forskere optimerer legeringsegenskaber og procesparametre for at skabe overlegne 3D-printede metaldele. Her er vist et farvet elektronmikrografi af en nikkelpulverlegering brugt i undersøgelsen. Udlånt af Raiyan Seede.
En ny metode udviklet af Texas A&M-forskere optimerer legeringsegenskaber og procesparametre for at skabe overlegne 3D-printede metaldele. Her er vist et farvet elektronmikrografi af en nikkelpulverlegering brugt i undersøgelsen. Udlånt af Raiyan Seede.

Legerede metalpulvere, der bruges til additiv fremstilling, kan indeholde en blanding af metaller, såsom nikkel, aluminium og magnesium, i forskellige koncentrationer. Under laserbed powder fusion 3D printing afkøles disse pulvere hurtigt, efter at de er opvarmet af en laserstråle. De forskellige metaller i legeringspulveret har forskellige køleegenskaber og størkner med forskellig hastighed. Denne inkonsekvens kan skabe mikroskopiske fejl eller mikrosegregation.

"Når legeringspulveret afkøles, kan de enkelte metaller udfældes," sagde forsker Raiyan Seede. "Forestil dig at hælde salt i vand. Det opløses med det samme, når mængden af ​​salt er lille, men efterhånden som du hælder mere salt på, begynder de overskydende saltpartikler, der ikke opløses, at fælde ud som krystaller. I bund og grund er det det, der sker i vores metallegeringer, når de afkøles hurtigt efter udskrivning." Seede sagde, at denne defekt fremstår som små lommer, der indeholder en lidt anden koncentration af metalingredienserne, end hvad der findes i andre områder af den trykte del.

Forskerne undersøgte størkningsmikrostrukturerne af fire binære nikkel-baserede legeringer. I eksperimenter studerede de den fysiske fase for hver legering ved forskellige temperaturer og ved stigende koncentrationer af det andet metal i den nikkelbaserede legering. Ved hjælp af detaljerede fasediagrammer bestemte forskerne den kemiske sammensætning af hver legering, der ville forårsage den mindste mikrosegregation under additiv fremstilling.

Dernæst smeltede forskerne et enkelt spor af legeringsmetalpulveret ved forskellige laserindstillinger og bestemte laserpulverbed-fusionsprocesparametrene, der ville levere porøsitetsfrie dele.
Et scanningselektronmikroskopbillede af et enkelt laserscanningstværsnit af en nikkel- og zinklegering. Her sammenfletter mørke, nikkelrige faser lysere faser med ensartet mikrostruktur. En pore kan også observeres i smeltebassinstrukturen. Udlånt af Raiyan Seede.
Et scanningselektronmikroskopbillede af et enkelt laserscanningstværsnit af en nikkel- og zinklegering. Mørke, nikkelrige faser sammenfletter lysere faser med ensartet mikrostruktur. En pore kan også observeres i smeltebassinstrukturen. Udlånt af Raiyan Seede.

Informationen opnået fra fasediagrammerne, kombineret med resultaterne fra enkeltsporseksperimenterne, gav teamet en omfattende analyse af laserindstillingerne og nikkel-baserede legeringssammensætninger, der kunne give en porøsitetsfri trykt del uden mikrosegregation.

Forskerne trænede derefter maskinlæringsmodeller til at identificere mønstre i enkeltsporede eksperimentelle data og fasediagrammer for at udvikle en ligning for mikrosegregation, der kunne bruges med enhver legering. Seede sagde, at ligningen er designet til at forudsige omfanget af segregation givet legeringens størkningsområde og materialeegenskaber og laserens kraft og hastighed.

"Vi tager dybt dyk i at finjustere mikrostrukturen af ​​legeringer, så der er mere kontrol over egenskaberne af det endelige trykte objekt i en meget finere skala end før," sagde Seede.

Efterhånden som brugen af ​​legeringer i AM stiger, vil udfordringerne med at printe dele, der opfylder eller overgår produktionskvalitetsstandarder, også øges. Texas A&M-undersøgelsen vil gøre det muligt for producenterne at optimere legeringskemi og procesparametre, så legeringer kan designes specifikt til additiv fremstilling, og producenter kan kontrollere mikrostrukturer lokalt.

"Vores metodologi letter den vellykkede brug af legeringer af forskellige sammensætninger til additiv fremstilling uden bekymring for at introducere defekter, selv i mikroskala," sagde professor Ibrahim Karaman. "Dette arbejde vil være til stor gavn for rumfarts-, bil- og forsvarsindustrien, der konstant leder efter bedre måder at bygge specialfremstillede metaldele på."

Professor Raymundo Arroyavé og professor Alaa Elwany, som samarbejdede med Seede og Karaman om forskningen, sagde, at metoden nemt kan tilpasses af industrier til at bygge robuste, fejlfrie dele med deres foretrukne legering.