Οι ερευνητές ερεύνησαν συστηματικά τις επιπτώσεις της σύνθεσης του κράματος στην εκτυπωσιμότητα και τη στερεοποίηση των μικροδομών, για να κατανοήσουν καλύτερα πώς η σύνθεση του κράματος, οι μεταβλητές της διαδικασίας και η θερμοδυναμική επηρέασαν τα πρόσθετα κατασκευασμένα μέρη. Μέσω πειραμάτων τρισδιάστατης εκτύπωσης, καθόρισαν τις χημείες και τις παραμέτρους διεργασίας του κράματος που απαιτούνται για τη βελτιστοποίηση των ιδιοτήτων του κράματος και την εκτύπωση ανώτερων, πανομοιότυπων μερών σε μικροκλίμακα. Χρησιμοποιώντας μηχανική μάθηση, δημιούργησαν μια φόρμουλα που μπορεί να χρησιμοποιηθεί με οποιοδήποτε τύπο κράματος για να αποτρέψει την ανομοιομορφία.
Μια νέα μέθοδος που αναπτύχθηκε από ερευνητές της Texas A&M βελτιστοποιεί τις ιδιότητες του κράματος και τις παραμέτρους της διαδικασίας για να δημιουργήσει ανώτερα 3D-εκτυπωμένα μεταλλικά μέρη. Εμφανίζεται εδώ μια χρωματισμένη ηλεκτρονική μικρογραφία ενός κράματος σκόνης νικελίου που χρησιμοποιείται στη μελέτη. Ευγενική προσφορά του Raiyan Seede.
Μια νέα μέθοδος που αναπτύχθηκε από ερευνητές της Texas A&M βελτιστοποιεί τις ιδιότητες του κράματος και τις παραμέτρους της διαδικασίας για να δημιουργήσει ανώτερα 3D-εκτυπωμένα μεταλλικά μέρη. Εμφανίζεται εδώ μια χρωματισμένη ηλεκτρονική μικρογραφία ενός κράματος σκόνης νικελίου που χρησιμοποιείται στη μελέτη. Ευγενική προσφορά του Raiyan Seede.

Οι σκόνες από κράμα μετάλλων που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή προσθέτων μπορούν να περιέχουν ένα μείγμα μετάλλων, όπως νικέλιο, αλουμίνιο και μαγνήσιο, σε διαφορετικές συγκεντρώσεις. Κατά τη διάρκεια της τρισδιάστατης εκτύπωσης σύντηξης σε σκόνη λέιζερ, αυτές οι σκόνες ψύχονται γρήγορα αφού θερμανθούν με ακτίνα λέιζερ. Τα διαφορετικά μέταλλα στη σκόνη του κράματος έχουν διαφορετικές ιδιότητες ψύξης και στερεοποιούνται με διαφορετικούς ρυθμούς. Αυτή η ασυνέπεια μπορεί να δημιουργήσει μικροσκοπικά ελαττώματα ή μικροδιαχωρισμό.

«Όταν η σκόνη του κράματος κρυώσει, τα μεμονωμένα μέταλλα μπορούν να κατακρημνιστούν», είπε ο ερευνητής Raiyan Seede. «Φανταστείτε να ρίχνετε αλάτι στο νερό. Διαλύεται αμέσως όταν η ποσότητα του αλατιού είναι μικρή, αλλά καθώς ρίχνετε περισσότερο αλάτι, τα υπερβολικά σωματίδια αλατιού που δεν διαλύονται αρχίζουν να κατακρημνίζονται ως κρύσταλλα. Στην ουσία, αυτό συμβαίνει στα μεταλλικά μας κράματα όταν κρυώνουν γρήγορα μετά την εκτύπωση.» Ο Seede είπε ότι αυτό το ελάττωμα εμφανίζεται ως μικροσκοπικές τσέπες που περιέχουν ελαφρώς διαφορετική συγκέντρωση των μεταλλικών συστατικών από ό,τι βρίσκεται σε άλλες περιοχές του τυπωμένου μέρους.

Οι ερευνητές ερεύνησαν τις μικροδομές στερεοποίησης τεσσάρων δυαδικών κραμάτων με βάση το νικέλιο. Σε πειράματα, μελέτησαν τη φυσική φάση για κάθε κράμα σε διαφορετικές θερμοκρασίες και σε αυξανόμενες συγκεντρώσεις του άλλου μετάλλου στο κράμα με βάση το νικέλιο. Χρησιμοποιώντας λεπτομερή διαγράμματα φάσεων, οι ερευνητές προσδιόρισαν τη χημική σύσταση κάθε κράματος που θα προκαλούσε τον λιγότερο μικροδιαχωρισμό κατά την παραγωγή προσθέτων.

Στη συνέχεια, οι ερευνητές έλιωσαν ένα μόνο κομμάτι της σκόνης μετάλλου από κράμα σε διαφορετικές ρυθμίσεις λέιζερ και προσδιόρισαν τις παραμέτρους της διαδικασίας σύντηξης κλίνης σκόνης λέιζερ που θα παρέδιδαν εξαρτήματα χωρίς πορώδες.
Μια εικόνα ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης μιας μονής διατομής σάρωσης λέιζερ ενός κράματος νικελίου και ψευδαργύρου. Εδώ, οι σκοτεινές, πλούσιες σε νικέλιο φάσεις παρεμβάλλονται στις ελαφρύτερες φάσεις με ομοιόμορφη μικροδομή. Ένας πόρος μπορεί επίσης να παρατηρηθεί στη δομή της δεξαμενής τήγματος. Ευγενική προσφορά του Raiyan Seede.
Μια εικόνα ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης μιας μονής διατομής σάρωσης λέιζερ ενός κράματος νικελίου και ψευδαργύρου. Οι σκοτεινές, πλούσιες σε νικέλιο φάσεις παρεμβάλλονται στις ελαφρύτερες φάσεις με ομοιόμορφη μικροδομή. Ένας πόρος μπορεί επίσης να παρατηρηθεί στη δομή της δεξαμενής τήγματος. Ευγενική προσφορά του Raiyan Seede.

Οι πληροφορίες που ελήφθησαν από τα διαγράμματα φάσης, σε συνδυασμό με τα αποτελέσματα από τα πειράματα μιας διαδρομής, παρείχαν στην ομάδα μια ολοκληρωμένη ανάλυση των ρυθμίσεων λέιζερ και των συνθέσεων κράματος με βάση το νικέλιο που θα μπορούσαν να δώσουν ένα τυπωμένο τμήμα χωρίς πορώδες χωρίς μικροδιαχωρισμό.

Στη συνέχεια, οι ερευνητές εκπαίδευσαν μοντέλα μηχανικής μάθησης για τον εντοπισμό μοτίβων στα πειραματικά δεδομένα και τα διαγράμματα φάσης μιας διαδρομής, για να αναπτύξουν μια εξίσωση για μικροδιαχωρισμό που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί με οποιοδήποτε κράμα. Ο Seede είπε ότι η εξίσωση έχει σχεδιαστεί για να προβλέψει την έκταση του διαχωρισμού δεδομένων του εύρους στερεοποίησης του κράματος και των ιδιοτήτων του υλικού και της ισχύος και της ταχύτητας του λέιζερ.

«Κάνουμε βαθιές βουτιές για να τελειοποιήσουμε τη μικροδομή των κραμάτων, έτσι ώστε να υπάρχει περισσότερος έλεγχος των ιδιοτήτων του τελικού εκτυπωμένου αντικειμένου σε πολύ πιο λεπτή κλίμακα από πριν», είπε ο Seede.

Καθώς αυξάνεται η χρήση κραμάτων στην AM, τόσο θα αυξάνονται οι προκλήσεις για την εκτύπωση εξαρτημάτων που πληρούν ή υπερβαίνουν τα πρότυπα ποιότητας κατασκευής. Η μελέτη Texas A&M θα επιτρέψει στους κατασκευαστές να βελτιστοποιήσουν τη χημεία των κραμάτων και τις παραμέτρους διεργασίας, έτσι ώστε τα κράματα να μπορούν να σχεδιαστούν ειδικά για την κατασκευή προσθέτων και οι κατασκευαστές να ελέγχουν τις μικροδομές τοπικά.

«Η μεθοδολογία μας διευκολύνει την επιτυχή χρήση κραμάτων διαφορετικών συνθέσεων για την παραγωγή προσθέτων χωρίς να ανησυχούμε για την εισαγωγή ελαττωμάτων, ακόμη και σε μικροκλίμακα», είπε ο καθηγητής Ibrahim Karaman. «Αυτό το έργο θα είναι μεγάλο όφελος για την αεροδιαστημική, την αυτοκινητοβιομηχανία και την αμυντική βιομηχανία που αναζητούν συνεχώς καλύτερους τρόπους για να κατασκευάσουν προσαρμοσμένα μεταλλικά μέρη».

Ο καθηγητής Raymundo Arroyavé και ο καθηγητής Alaa Elwany, που συνεργάστηκαν με τους Seede και Karaman στην έρευνα, είπαν ότι η μεθοδολογία μπορεί εύκολα να προσαρμοστεί από τις βιομηχανίες για την κατασκευή στιβαρών, χωρίς ελαττώματα εξαρτημάτων με το κράμα της επιλογής τους.