Os investigadores investigaron sistemáticamente os efectos da composición da aliaxe sobre a imprimibilidade e solidificación das microestruturas, para comprender mellor como a composición da aliaxe, as variables do proceso e a termodinámica afectaron ás pezas fabricadas aditivamente. Mediante experimentos de impresión 3D, definiron as químicas das aliaxes e os parámetros de proceso necesarios para optimizar as propiedades da aliaxe e imprimir pezas idénticas superiores a microescala. Usando a aprendizaxe automática, crearon unha fórmula que se pode usar con calquera tipo de aliaxe para axudar a previr a non uniformidade.
Un novo método desenvolvido por investigadores de Texas A&M optimiza as propiedades da aliaxe e os parámetros do proceso para crear pezas metálicas superiores impresas en 3D. Aquí móstrase unha micrografía electrónica coloreada dunha aliaxe de níquel en po utilizada no estudo. Cortesía de Raiyan Seede.
Un novo método desenvolvido por investigadores de Texas A&M optimiza as propiedades da aliaxe e os parámetros do proceso para crear pezas metálicas superiores impresas en 3D. Aquí móstrase unha micrografía electrónica coloreada dunha aliaxe de níquel en po utilizada no estudo. Cortesía de Raiyan Seede.

Os po de metal de aliaxe utilizados para a fabricación aditiva poden conter unha mestura de metais, como níquel, aluminio e magnesio, en diferentes concentracións. Durante a impresión 3D de fusión de po de cama láser, estes po arrefríanse rapidamente despois de ser quentados por un raio láser. Os diferentes metais do po de aliaxe teñen diferentes propiedades de arrefriamento e solidízanse a diferentes velocidades. Esta inconsistencia pode crear defectos microscópicos ou microsegregación.

"Cando o po de aliaxe arrefría, os metais individuais poden precipitarse", dixo o investigador Raiyan Seede. "Imaxina verter sal na auga. Disólvese de inmediato cando a cantidade de sal é pequena, pero a medida que se bota máis sal, as partículas de sal en exceso que non se disolven comezan a precipitarse en forma de cristais. En esencia, iso é o que está a suceder nas nosas aliaxes metálicas cando se arrefrían rapidamente despois da impresión". Seede dixo que este defecto aparece como pequenos petos que conteñen unha concentración lixeiramente diferente dos ingredientes metálicos que a que se atopa noutras áreas da parte impresa.

Os investigadores investigaron as microestruturas de solidificación de catro aliaxes binarias a base de níquel. En experimentos, estudaron a fase física de cada aliaxe a diferentes temperaturas e en concentracións crecentes do outro metal na aliaxe a base de níquel. Usando diagramas de fase detallados, os investigadores determinaron a composición química de cada aliaxe que causaría a menor microsegregación durante a fabricación aditiva.

A continuación, os investigadores fundiron unha única pista do po metálico de aliaxe en diferentes configuracións de láser e determinaron os parámetros do proceso de fusión do leito de po láser que entregarían pezas sen porosidade.
Unha imaxe de microscopio electrónico de varrido dunha única sección transversal de exploración con láser dunha aliaxe de níquel e cinc. Aquí, as fases escuras e ricas en níquel intercalan fases máis claras cunha microestrutura uniforme. Tamén se pode observar un poro na estrutura da piscina de fusión. Cortesía de Raiyan Seede.
Unha imaxe de microscopio electrónico de varrido dunha única sección transversal de exploración con láser dunha aliaxe de níquel e cinc. As fases escuras e ricas en níquel intercalan as fases máis claras cunha microestrutura uniforme. Tamén se pode observar un poro na estrutura da piscina de fusión. Cortesía de Raiyan Seede.

A información obtida a partir dos diagramas de fase, combinada cos resultados dos experimentos dunha única vía, proporcionou ao equipo unha análise completa da configuración do láser e das composicións de aliaxes a base de níquel que poderían producir unha peza impresa sen porosidade sen microsegregación.

A continuación, os investigadores adestraron modelos de aprendizaxe automática para identificar patróns nos datos experimentais dunha única vía e nos diagramas de fase, para desenvolver unha ecuación para a microsegregación que podería usarse con calquera aliaxe. Seede dixo que a ecuación está deseñada para predicir o grao de segregación dado o rango de solidificación da aliaxe e as propiedades do material e a potencia e velocidade do láser.

"Inmersións profundamente no axuste fino da microestrutura das aliaxes para que haxa máis control sobre as propiedades do obxecto impreso final a unha escala moito máis fina que antes", dixo Seede.

A medida que aumenta o uso de aliaxes en AM, tamén aumentarán os retos para imprimir pezas que cumpran ou superen os estándares de calidade de fabricación. O estudo de Texas A&M permitirá aos fabricantes optimizar a química das aliaxes e os parámetros do proceso para que as aliaxes poidan deseñarse especificamente para a fabricación aditiva e os fabricantes poidan controlar as microestruturas localmente.

"A nosa metodoloxía facilita o uso exitoso de aliaxes de diferentes composicións para a fabricación aditiva sen a preocupación de introducir defectos, mesmo a microescala", dixo o profesor Ibrahim Karaman. "Este traballo será de gran beneficio para as industrias aeroespacial, automotriz e de defensa que buscan constantemente mellores formas de construír pezas metálicas personalizadas".

O profesor Raymundo Arroyavé e o profesor Alaa Elwany, que colaboraron con Seede e Karaman na investigación, dixeron que as industrias poden adaptar facilmente a metodoloxía para construír pezas resistentes e sen defectos coa aliaxe que elixa.