A kutatók szisztematikusan vizsgálták az ötvözet összetételének a mikrostruktúrák nyomtathatóságára és megszilárdulására gyakorolt ​​hatását, hogy jobban megértsék, hogyan hatnak az ötvözet összetétele, az eljárási változók és a termodinamika az additív módon gyártott alkatrészekre. 3D-nyomtatási kísérletekkel meghatározták az ötvözet kémiáját és a folyamatparamétereket, amelyek az ötvözet tulajdonságainak optimalizálásához és a kiváló, azonos alkatrészek mikroméretben történő nyomtatásához szükségesek. A gépi tanulás segítségével olyan formulát készítettek, amely bármilyen típusú ötvözettel használható az egyenetlenség megelőzésére.
A Texas A&M kutatói által kifejlesztett új módszer optimalizálja az ötvözetek tulajdonságait és a folyamatparamétereket, hogy kiváló 3D-nyomtatott fém alkatrészeket hozzon létre. Itt látható a vizsgálatban használt nikkelpor ötvözet színes elektronmikroszkópos felvétele. Raiyan Seede jóvoltából.
A Texas A&M kutatói által kifejlesztett új módszer optimalizálja az ötvözetek tulajdonságait és a folyamatparamétereket, hogy kiváló 3D-nyomtatott fém alkatrészeket hozzon létre. Itt látható a vizsgálatban használt nikkelpor ötvözet színes elektronmikroszkópos felvétele. Raiyan Seede jóvoltából.

Az additív gyártáshoz használt ötvözött fémporok különböző koncentrációkban tartalmazhatnak fémek keverékét, például nikkelt, alumíniumot és magnéziumot. A lézerágyas porfúziós 3D nyomtatás során ezek a porok gyorsan lehűlnek, miután lézersugárral felmelegítik őket. Az ötvözetporban lévő különböző fémek eltérő hűtési tulajdonságokkal rendelkeznek, és eltérő sebességgel szilárdulnak meg. Ez az inkonzisztencia mikroszkopikus hibákat vagy mikroszegregációt okozhat.

"Amikor az ötvözetpor lehűl, az egyes fémek kicsapódhatnak" - mondta Raiyan Seede kutató. „Képzeld el, hogy sót öntesz vízbe. Ha kicsi a só mennyisége, azonnal feloldódik, de ahogy több sót öntünk, a felesleges sórészecskék, amelyek nem oldódnak, kristályokként kezdenek kicsapódni. Lényegében ez történik a fémötvözeteinkben, amikor azok nyomtatás után gyorsan lehűlnek.” Seede szerint ez a hiba apró zsebekként jelenik meg, amelyek kissé eltérő koncentrációban tartalmazzák a fémösszetevőket, mint a nyomtatott rész más részein.

A kutatók négy bináris nikkel alapú ötvözet megszilárdulási mikrostruktúráit vizsgálták. Kísérletek során minden egyes ötvözet fizikai fázisát tanulmányozták különböző hőmérsékleteken és a nikkel alapú ötvözetben lévő másik fém növekvő koncentrációi mellett. A kutatók részletes fázisdiagramok segítségével meghatározták az egyes ötvözetek kémiai összetételét, amely a legkevesebb mikroszegregációt okozza az additív gyártás során.

Ezután a kutatók megolvasztották az ötvözött fémpor egyetlen sávját különböző lézerbeállításokkal, és meghatározták a lézerporágy-fúziós folyamat paramétereit, amelyek porozitásmentes alkatrészeket biztosítanak.
Egy nikkel és cink ötvözet egyetlen lézeres pásztázó keresztmetszetének pásztázó elektronmikroszkópos képe. Itt a sötét, nikkelben gazdag fázisok világosabb, egyenletes mikrostruktúrájú fázisokat váltanak ki. Az olvadékmedence szerkezetében pórus is megfigyelhető. Raiyan Seede jóvoltából.
Egy nikkel és cink ötvözet egyetlen lézeres pásztázó keresztmetszetének pásztázó elektronmikroszkópos képe. A sötét, nikkelben gazdag fázisok világosabb, egyenletes mikrostruktúrájú fázisokat hagynak össze. Az olvadékmedence szerkezetében pórus is megfigyelhető. Raiyan Seede jóvoltából.

A fázisdiagramokból nyert információk, kombinálva az egysávos kísérletek eredményeivel, átfogó elemzést nyújtottak a csapatnak a lézerbeállításokról és a nikkel alapú ötvözet-összetételekről, amelyek porozitásmentes nyomtatott alkatrészt eredményezhetnek mikroszegregáció nélkül.

A kutatók ezután gépi tanulási modelleket képeztek ki, hogy azonosítsák a mintákat az egysávos kísérleti adatokban és fázisdiagramokban, és kidolgozzák a mikroszegregációs egyenletet, amely bármilyen ötvözettel használható. Seede elmondta, hogy az egyenletet úgy tervezték, hogy megjósolja a szegregáció mértékét, tekintettel az ötvözet megszilárdulási tartományára és anyagtulajdonságaira, valamint a lézer teljesítményére és sebességére.

"Mélyen belemerülünk az ötvözetek mikroszerkezetének finomhangolásába, hogy jobban ellenőrizhessük a végső nyomtatott tárgy tulajdonságait, sokkal finomabb léptékben, mint korábban" - mondta Seede.

Ahogy az ötvözetek felhasználása az AM-ben növekszik, úgy nőnek a gyártási minőségi szabványoknak megfelelő vagy meghaladó alkatrészek nyomtatásával kapcsolatos kihívások is. A texasi A&M tanulmány lehetővé teszi a gyártók számára, hogy optimalizálják az ötvözetek kémiáját és a folyamatparamétereket, hogy az ötvözeteket kifejezetten additív gyártásra tervezhessék, a gyártók pedig helyileg szabályozhassák a mikrostruktúrákat.

„Módszertanunk megkönnyíti a különböző összetételű ötvözetek sikeres felhasználását az additív gyártáshoz anélkül, hogy aggódnánk a hibák miatt, még mikroléptékben is” – mondta Ibrahim Karaman professzor. "Ez a munka nagy hasznot hoz a repülőgépipar, az autóipar és a védelmi ipar számára, amelyek folyamatosan keresik a jobb módszereket egyedi fémalkatrészek gyártására."

Raymundo Arroyavé professzor és Alaa Elwany professzor, akik Seede-vel és Karamannal együttműködtek a kutatásban, azt mondták, hogy a módszertant könnyen adaptálhatják az iparágak, hogy szilárd, hibamentes alkatrészeket készítsenek az általuk választott ötvözetből.