Teadlased uurisid süstemaatiliselt sulami koostise mõju mikrostruktuuride prinditavusele ja tahkumisele, et paremini mõista, kuidas sulami koostis, protsessi muutujad ja termodünaamika mõjutasid täiendavalt toodetud osi. 3D-printimise katsete abil määratlesid nad sulami keemia ja protsessi parameetrid, mis on vajalikud sulami omaduste optimeerimiseks ja parimate, identsete osade printimiseks mikroskaalal. Masinõppe abil lõid nad valemi, mida saab kasutada mis tahes tüüpi sulamitega, et vältida ebaühtlust.
Texas A&M teadlaste välja töötatud uus meetod optimeerib sulami omadusi ja protsessi parameetreid, et luua suurepäraseid 3D-prinditud metallosi. Siin on näidatud uuringus kasutatud niklipulbri sulami värviline elektronmikroskoopia. Raiyan Seede loal.
Texas A&M teadlaste välja töötatud uus meetod optimeerib sulami omadusi ja protsessi parameetreid, et luua suurepäraseid 3D-prinditud metallosi. Siin on näidatud uuringus kasutatud niklipulbri sulami värviline elektronmikroskoopia. Raiyan Seede loal.

Lisandite tootmiseks kasutatavad legeeritud metallipulbrid võivad sisaldada erinevas kontsentratsioonis metallide segusid, nagu nikkel, alumiinium ja magneesium. Laserkihiga pulberfusiooniga 3D-printimise ajal jahtuvad need pulbrid kiiresti pärast laserkiirega kuumutamist. Sulamipulbri erinevatel metallidel on erinevad jahutusomadused ja need tahkuvad erineva kiirusega. See ebakõla võib tekitada mikroskoopilisi vigu või mikrosegregatsiooni.

"Kui sulamipulber jahtub, võivad üksikud metallid välja sadestuda," ütles teadlane Raiyan Seede. "Kujutage ette, et valate soola vette. See lahustub kohe, kui soola kogus on väike, kuid soola juurde valades hakkavad üleliigsed soolaosakesed, mis ei lahustu, kristallidena välja sadestuma. Sisuliselt toimub see meie metallisulamites, kui need pärast printimist kiiresti jahtuvad. Seede ütles, et see defekt näib olevat pisikeste taskutena, mis sisaldavad veidi erinevas kontsentratsioonis metallist koostisosi, kui trükitud osa teistes piirkondades.

Teadlased uurisid nelja binaarse niklipõhise sulami tahkestumise mikrostruktuure. Katsetes uurisid nad iga sulami füüsikalist faasi erinevatel temperatuuridel ja niklipõhises sulamis leiduva teise metalli suureneva kontsentratsiooni juures. Üksikasjalike faasidiagrammide abil määrasid teadlased iga sulami keemilise koostise, mis põhjustaks lisandite valmistamisel kõige vähem mikrosegregatsiooni.

Seejärel sulatasid teadlased erinevatel laserseadetel sulamimetalli pulbri ühe raja ja määrasid kindlaks laserpulbri kihi sulamisprotsessi parameetrid, mis tagaksid poorsuseta osad.
Skaneeriva elektronmikroskoobi kujutis nikli ja tsingi sulami ühest laserskaneerimisega ristlõikest. Siin lõikuvad tumedad niklirikkad faasid ühtlase mikrostruktuuriga heledamad faasid. Poore võib täheldada ka sulamisbasseini struktuuris. Raiyan Seede loal.
Skaneeriva elektronmikroskoobi kujutis nikli ja tsingi sulami ühest laserskaneerimisega ristlõikest. Tumedad, niklirikkad faasid jätavad omavahel ühtlase mikrostruktuuriga heledamad faasid. Poore võib täheldada ka sulamisbasseini struktuuris. Raiyan Seede loal.

Faasidiagrammidest saadud teave koos üherajaliste katsete tulemustega andis meeskonnale põhjaliku analüüsi laserseadete ja niklipõhiste sulamite koostiste kohta, mis võivad anda poorsuseta trükitud osa ilma mikrosegregatsioonita.

Järgmisena koolitasid teadlased masinõppemudeleid, et tuvastada mustrid üherajalistes eksperimentaalsetes andmetes ja faasiskeemides, et töötada välja mikrosegregatsiooni võrrand, mida saaks kasutada mis tahes sulamiga. Seede ütles, et võrrandi eesmärk on ennustada eraldumise ulatust, arvestades sulami tahkestumise ulatust ja materjali omadusi ning laseri võimsust ja kiirust.

„Sukeldume sügavalt sulamite mikrostruktuuri peenhäälestusse, nii et lõpliku prinditava objekti omaduste üle oleks senisest palju peenem kontroll,“ ütles Seede.

Kui sulamite kasutamine AM-s suureneb, kasvavad ka väljakutsed osade printimisel, mis vastavad või ületavad tootmiskvaliteedistandardeid. Texase A&M uuring võimaldab tootjatel optimeerida sulamite keemiat ja protsessi parameetreid, nii et sulamid saab kavandada spetsiaalselt lisandite tootmiseks ja tootjad saavad kontrollida mikrostruktuure kohapeal.

"Meie metoodika hõlbustab erineva koostisega sulamite edukat kasutamist lisandite valmistamisel, ilma et peaks kartma, et tekivad defektid isegi mikroskaalal," ütles professor Ibrahim Karaman. "See töö on suureks kasuks kosmose-, auto- ja kaitsetööstusele, kes otsivad pidevalt paremaid viise kohandatud metallosade ehitamiseks."

Professor Raymundo Arroyavé ja professor Alaa Elwany, kes tegid uuringus koostööd Seede ja Karamaniga, ütlesid, et tööstused saavad metoodikat hõlpsasti kohandada, et ehitada oma valitud sulamist tugevaid, defektideta osi.