Tutkijat tutkivat systemaattisesti lejeeringin koostumuksen vaikutuksia mikrorakenteiden painettavuuteen ja jähmettymiseen ymmärtääkseen paremmin, kuinka metalliseoksen koostumus, prosessimuuttujat ja termodynamiikka vaikuttivat additiivisesti valmistettuihin osiin. He määrittelivät 3D-tulostuskokeiden avulla metalliseoskemiat ja prosessiparametrit, joita tarvitaan seosten ominaisuuksien optimointiin ja ylivertaisten, identtisten osien tulostamiseen mikromittakaavassa. Koneoppimisen avulla he loivat kaavan, jota voidaan käyttää minkä tahansa tyyppisten metalliseosten kanssa estämään epätasaisuutta.
Texas A&M:n tutkijoiden kehittämä uusi menetelmä optimoi metalliseoksen ominaisuudet ja prosessiparametrit ylivoimaisten 3D-tulostettujen metalliosien luomiseksi. Tässä on värillinen elektronimikroskooppikuva tutkimuksessa käytetystä nikkelijauheseoksesta. Raiyan Seeden luvalla.
Texas A&M:n tutkijoiden kehittämä uusi menetelmä optimoi metalliseoksen ominaisuudet ja prosessiparametrit ylivoimaisten 3D-tulostettujen metalliosien luomiseksi. Tässä on värillinen elektronimikroskooppikuva tutkimuksessa käytetystä nikkelijauheseoksesta. Raiyan Seeden luvalla.

Lisäainevalmistuksessa käytettävät metalliseosjauheet voivat sisältää metalliseoksia, kuten nikkeliä, alumiinia ja magnesiumia, eri pitoisuuksina. Laserpetijauhefuusio-3D-tulostuksen aikana nämä jauheet jäähtyvät nopeasti sen jälkeen, kun ne on kuumennettu lasersäteellä. Seosjauheen eri metalleilla on erilaiset jäähdytysominaisuudet ja ne jähmettyvät eri nopeuksilla. Tämä epäjohdonmukaisuus voi aiheuttaa mikroskooppisia puutteita tai mikrosegregaatiota.

"Kun seosjauhe jäähtyy, yksittäiset metallit voivat saostua", tutkija Raiyan Seede sanoi. "Kuvittele, että kaadat suolaa veteen. Se liukenee heti, kun suolaa on vähän, mutta kun suolaa kaadetaan lisää, ylimääräiset suolahiukkaset, jotka eivät liukene, alkavat saostua kiteinä. Pohjimmiltaan näin tapahtuu metalliseoksissamme, kun ne jäähtyvät nopeasti painatuksen jälkeen. Seede sanoi, että tämä vika näkyy pieninä taskuina, jotka sisältävät hieman eri pitoisuutta metalliainesosia kuin mitä löytyy painetun osan muilta alueilta.

Tutkijat tutkivat neljän binäärisen nikkelipohjaisen lejeeringin jähmettymismikrorakenteita. Kokeissa he tutkivat kunkin lejeeringin fysikaalista faasia eri lämpötiloissa ja nikkelipohjaisen seoksen toisen metallin kasvavilla pitoisuuksilla. Yksityiskohtaisten vaihekaavioiden avulla tutkijat määrittelivät kunkin seoksen kemiallisen koostumuksen, joka aiheuttaisi vähiten mikrosegregaatiota lisäainevalmistuksen aikana.

Seuraavaksi tutkijat sulattivat metalliseosmetallijauheen yhden raidan eri laserasetuksissa ja määrittelivät laserjauhepetin fuusioprosessin parametrit, jotka tuottaisivat huokoisia osia.
Pyyhkäisyelektronimikroskooppikuva nikkelin ja sinkkiseoksen yhdestä laserskannauspoikkileikkauksesta. Tässä tummat, nikkelipitoiset faasit limittävät vaaleita faaseja, joilla on yhtenäinen mikrorakenne. Huokos voidaan havaita myös sulaaltaan rakenteessa. Raiyan Seeden luvalla.
Pyyhkäisyelektronimikroskooppikuva nikkelin ja sinkkiseoksen yhdestä laserskannauspoikkileikkauksesta. Tummat, nikkelipitoiset faasit limittävät vaaleita faaseja, joilla on yhtenäinen mikrorakenne. Huokos voidaan havaita myös sulaaltaan rakenteessa. Raiyan Seeden luvalla.

Vaihekaavioista saadut tiedot yhdistettynä yksiraitaisten kokeiden tuloksiin tarjosivat ryhmälle kattavan analyysin laserasetuksista ja nikkelipohjaisista seoskoostumuksista, jotka voisivat tuottaa huokottoman painetun osan ilman mikrosegregaatiota.

Seuraavaksi tutkijat kouluttivat koneoppimismalleja tunnistamaan kuvioita yksiraitaisista kokeellisista tiedoista ja vaihekaavioista ja kehittämään yhtälön mikrosegregaatiolle, jota voitaisiin käyttää minkä tahansa seoksen kanssa. Seede sanoi, että yhtälö on suunniteltu ennustamaan segregaation laajuutta, kun otetaan huomioon lejeeringin jähmettymisalue ja materiaaliominaisuudet sekä laserin teho ja nopeus.

"Sukeltamme syvälle metalliseosten mikrorakenteen hienosäätöön, jotta lopullisen painetun esineen ominaisuuksia voidaan hallita paremmin ja paljon hienommassa mittakaavassa kuin ennen", Seede sanoi.

Seosten käytön lisääntyessä AM:ssä kasvavat myös tuotannon laatustandardit täyttävien tai ylittävien osien painamisen haasteet. Texas A&M -tutkimus antaa valmistajille mahdollisuuden optimoida seosten kemiaa ja prosessiparametreja, jotta seokset voidaan suunnitella erityisesti lisäainevalmistukseen ja valmistajat voivat ohjata mikrorakenteita paikallisesti.

"Metodologiamme helpottaa eri koostumusten metalliseosten onnistunutta käyttöä lisäainevalmistuksessa ilman huolta vikojen aiheuttamisesta jopa mikromittakaavassa", professori Ibrahim Karaman sanoi. "Tästä työstä on suurta hyötyä ilmailu-, auto- ja puolustusteollisuudelle, jotka etsivät jatkuvasti parempia tapoja rakentaa mukautettuja metalliosia."

Professori Raymundo Arroyavé ja professori Alaa Elwany, jotka tekivät yhteistyötä Seeden ja Karamanin kanssa tutkimuksessa, sanoivat, että teollisuuden voi helposti mukauttaa metodologiaa rakentamaan tukevia, virheettömiä osia valitsemallaan seoksella.