Para peneliti secara sistematis menyelidiki efek komposisi paduan pada kemampuan cetak dan pemadatan struktur mikro, untuk lebih memahami bagaimana komposisi paduan, variabel proses, dan termodinamika mempengaruhi bagian yang diproduksi secara aditif. Melalui eksperimen pencetakan 3D, mereka mendefinisikan kimia paduan dan parameter proses yang diperlukan untuk mengoptimalkan sifat paduan dan mencetak bagian yang unggul dan identik pada skala mikro. Menggunakan pembelajaran mesin, mereka menciptakan formula yang dapat digunakan dengan semua jenis paduan untuk membantu mencegah ketidakseragaman.
Metode baru yang dikembangkan oleh peneliti Texas A&M mengoptimalkan sifat paduan dan parameter proses untuk membuat bagian logam cetak 3D yang unggul. Ditampilkan di sini adalah mikrograf elektron berwarna dari paduan bubuk nikel yang digunakan dalam penelitian ini. Atas izin Raiyan Seede.
Metode baru yang dikembangkan oleh peneliti Texas A&M mengoptimalkan sifat paduan dan parameter proses untuk membuat bagian logam cetak 3D yang unggul. Ditampilkan di sini adalah mikrograf elektron berwarna dari paduan bubuk nikel yang digunakan dalam penelitian ini. Atas izin Raiyan Seede.

Serbuk logam paduan yang digunakan untuk pembuatan aditif dapat mengandung campuran logam, seperti nikel, aluminium, dan magnesium, pada konsentrasi yang berbeda. Selama pencetakan 3D fusi bubuk tempat tidur laser, bubuk ini mendingin dengan cepat setelah dipanaskan oleh sinar laser. Logam yang berbeda dalam bubuk paduan memiliki sifat pendinginan yang berbeda dan memadat pada tingkat yang berbeda. Inkonsistensi ini dapat membuat cacat mikroskopis, atau microsegregation.

“Ketika bubuk paduan mendingin, masing-masing logam dapat mengendap,” kata peneliti Raiyan Seede. “Bayangkan menuangkan garam ke dalam air. Ini langsung larut ketika jumlah garamnya sedikit, tetapi saat Anda menuangkan lebih banyak garam, partikel garam berlebih yang tidak larut mulai mengendap sebagai kristal. Intinya, itulah yang terjadi pada paduan logam kami ketika mereka mendingin dengan cepat setelah dicetak.” Seede mengatakan cacat ini muncul sebagai kantong kecil yang mengandung konsentrasi bahan logam yang sedikit berbeda dari apa yang ditemukan di area lain dari bagian yang dicetak.

Para peneliti menyelidiki struktur mikro pemadatan dari empat paduan berbasis nikel biner. Dalam percobaan, mereka mempelajari fase fisik untuk setiap paduan pada suhu yang berbeda dan pada peningkatan konsentrasi logam lain dalam paduan berbasis nikel. Dengan menggunakan diagram fase terperinci, para peneliti menentukan komposisi kimia dari setiap paduan yang akan menyebabkan segregasi mikro paling sedikit selama pembuatan aditif.

Selanjutnya, para peneliti melelehkan satu jalur bubuk logam paduan pada pengaturan laser yang berbeda dan menentukan parameter proses fusi unggun bubuk laser yang akan menghasilkan bagian bebas porositas.
Gambar mikroskop elektron pemindaian dari penampang pemindaian laser tunggal dari paduan nikel dan seng. Di sini, fase gelap yang kaya nikel menyisipkan fase yang lebih terang dengan struktur mikro yang seragam. Sebuah pori juga dapat diamati pada struktur kolam lelehan. Atas izin Raiyan Seede.
Gambar mikroskop elektron pemindaian dari penampang pemindaian laser tunggal dari paduan nikel dan seng. Fase gelap yang kaya nikel menyisipkan fase yang lebih terang dengan struktur mikro yang seragam. Sebuah pori juga dapat diamati pada struktur kolam lelehan. Atas izin Raiyan Seede.

Informasi yang diperoleh dari diagram fase, dikombinasikan dengan hasil dari eksperimen jalur tunggal, memberikan tim analisis komprehensif tentang pengaturan laser dan komposisi paduan berbasis nikel yang dapat menghasilkan bagian cetakan bebas porositas tanpa mikrosegregasi.

Para peneliti selanjutnya melatih model pembelajaran mesin untuk mengidentifikasi pola dalam data eksperimental jalur tunggal dan diagram fase, untuk mengembangkan persamaan untuk pemisahan mikro yang dapat digunakan dengan paduan apa pun. Seede mengatakan persamaan ini dirancang untuk memprediksi sejauh mana segregasi mengingat rentang pemadatan paduan dan sifat material serta kekuatan dan kecepatan laser.

“Kami mempelajari lebih dalam untuk menyempurnakan struktur mikro paduan sehingga ada kontrol lebih besar atas sifat-sifat objek cetakan akhir pada skala yang jauh lebih halus daripada sebelumnya,” kata Seede.

Seiring penggunaan paduan dalam AM meningkat, demikian juga tantangan untuk mencetak suku cadang yang memenuhi atau melampaui standar kualitas manufaktur. Studi A&M Texas akan memungkinkan produsen untuk mengoptimalkan kimia paduan dan parameter proses sehingga paduan dapat dirancang khusus untuk pembuatan aditif dan produsen dapat mengontrol struktur mikro secara lokal.

“Metodologi kami memudahkan keberhasilan penggunaan paduan komposisi yang berbeda untuk pembuatan aditif tanpa khawatir menimbulkan cacat, bahkan pada skala mikro,” kata profesor Ibrahim Karaman. “Pekerjaan ini akan sangat bermanfaat bagi industri kedirgantaraan, otomotif, dan pertahanan yang terus mencari cara yang lebih baik untuk membuat suku cadang logam khusus.”

Profesor Raymundo Arroyavé dan profesor Alaa Elwany, yang berkolaborasi dengan Seede dan Karaman dalam penelitian tersebut, mengatakan bahwa metodologi tersebut dapat dengan mudah diadaptasi oleh industri untuk membangun suku cadang yang kokoh dan bebas cacat dengan paduan pilihan mereka.