Los investigadores investigaron sistemáticamente los efectos de la composición de la aleación en la imprimibilidad y solidificación de las microestructuras, para comprender mejor cómo la composición de la aleación, las variables del proceso y la termodinámica afectaban a las piezas fabricadas de forma aditiva. A través de experimentos de impresión 3D, definieron la química de la aleación y los parámetros del proceso necesarios para optimizar las propiedades de la aleación e imprimir piezas superiores e idénticas a microescala. Usando el aprendizaje automático, crearon una fórmula que se puede usar con cualquier tipo de aleación para ayudar a prevenir la falta de uniformidad.
Un nuevo método desarrollado por los investigadores de Texas A&M optimiza las propiedades de la aleación y los parámetros del proceso para crear piezas metálicas impresas en 3D superiores. Aquí se muestra una micrografía electrónica coloreada de una aleación de níquel en polvo utilizada en el estudio. Cortesía de Raiyan Seede.
Un nuevo método desarrollado por los investigadores de Texas A&M optimiza las propiedades de la aleación y los parámetros del proceso para crear piezas metálicas impresas en 3D superiores. Aquí se muestra una micrografía electrónica coloreada de una aleación de níquel en polvo utilizada en el estudio. Cortesía de Raiyan Seede.

Los polvos de aleación de metales utilizados para la fabricación aditiva pueden contener una mezcla de metales, como níquel, aluminio y magnesio, en diferentes concentraciones. Durante la impresión 3D de fusión de polvo con lecho láser, estos polvos se enfrían rápidamente después de ser calentados por un rayo láser. Los diferentes metales en el polvo de aleación tienen diferentes propiedades de enfriamiento y solidifican a diferentes velocidades. Esta inconsistencia puede crear defectos microscópicos o microsegregación.

"Cuando el polvo de aleación se enfría, los metales individuales pueden precipitar", dijo el investigador Raiyan Seede. “Imagínese vertiendo sal en agua. Se disuelve de inmediato cuando la cantidad de sal es pequeña, pero a medida que vierte más sal, el exceso de partículas de sal que no se disuelven comienzan a precipitarse en forma de cristales. En esencia, eso es lo que sucede en nuestras aleaciones metálicas cuando se enfrían rápidamente después de la impresión ”. Seede dijo que este defecto aparece como pequeños bolsillos que contienen una concentración ligeramente diferente de los ingredientes metálicos que la que se encuentra en otras áreas de la pieza impresa.

Los investigadores investigaron las microestructuras de solidificación de cuatro aleaciones binarias a base de níquel. En experimentos, estudiaron la fase física de cada aleación a diferentes temperaturas y a concentraciones crecientes del otro metal en la aleación a base de níquel. Utilizando diagramas de fase detallados, los investigadores determinaron la composición química de cada aleación que causaría la menor microsegregación durante la fabricación aditiva.

A continuación, los investigadores derritieron una sola pista del polvo metálico de aleación en diferentes configuraciones de láser y determinaron los parámetros del proceso de fusión del lecho de polvo láser que producirían piezas sin porosidad.
Una imagen de microscopio electrónico de barrido de una sección transversal de un solo barrido láser de una aleación de níquel y zinc. Aquí, las fases oscuras ricas en níquel intercalan fases más claras con una microestructura uniforme. También se puede observar un poro en la estructura del baño de fusión. Cortesía de Raiyan Seede.
Una imagen de microscopio electrónico de barrido de una sola sección transversal de barrido láser de una aleación de níquel y zinc. Las fases oscuras ricas en níquel intercalan fases más claras con microestructura uniforme. También se puede observar un poro en la estructura del baño de fusión. Cortesía de Raiyan Seede.

La información obtenida de los diagramas de fase, combinada con los resultados de los experimentos de una sola pista, brindó al equipo un análisis completo de la configuración del láser y las composiciones de aleación a base de níquel que podrían producir una pieza impresa sin porosidad sin microsegregación.

A continuación, los investigadores entrenaron modelos de aprendizaje automático para identificar patrones en los datos experimentales de una sola pista y los diagramas de fase, para desarrollar una ecuación de microsegregación que pudiera usarse con cualquier aleación. Seede dijo que la ecuación está diseñada para predecir el grado de segregación dado el rango de solidificación de la aleación y las propiedades del material y la potencia y velocidad del láser.

“Nos sumergimos en profundidad en el ajuste fino de la microestructura de las aleaciones para que haya más control sobre las propiedades del objeto impreso final a una escala mucho más fina que antes”, dijo Seede.

A medida que aumente el uso de aleaciones en AM, también lo harán los desafíos para imprimir piezas que cumplan o superen los estándares de calidad de fabricación. El estudio de Texas A&M permitirá a los fabricantes optimizar la química de las aleaciones y los parámetros del proceso para que las aleaciones puedan diseñarse específicamente para la fabricación aditiva y los fabricantes puedan controlar las microestructuras localmente.

“Nuestra metodología facilita el uso exitoso de aleaciones de diferentes composiciones para la fabricación aditiva sin la preocupación de introducir defectos, incluso a microescala”, dijo el profesor Ibrahim Karaman. "Este trabajo será de gran beneficio para las industrias aeroespacial, automotriz y de defensa que buscan constantemente mejores formas de construir piezas metálicas personalizadas".

El profesor Raymundo Arroyavé y el profesor Alaa Elwany, que colaboraron con Seede y Karaman en la investigación, dijeron que las industrias pueden adaptar fácilmente la metodología para construir piezas resistentes y sin defectos con la aleación que elijan.