I ricercatori hanno studiato sistematicamente gli effetti della composizione della lega sulla stampabilità e sulla solidificazione delle microstrutture, per comprendere meglio come la composizione della lega, le variabili di processo e la termodinamica influenzano le parti prodotte in modo additivo. Attraverso esperimenti di stampa 3D, hanno definito le sostanze chimiche della lega e i parametri di processo necessari per ottimizzare le proprietà della lega e stampare parti identiche di qualità superiore su microscala. Utilizzando l'apprendimento automatico, hanno creato una formula che può essere utilizzata con qualsiasi tipo di lega per aiutare a prevenire la non uniformità.
Un nuovo metodo sviluppato dai ricercatori di Texas A&M ottimizza le proprietà della lega e i parametri di processo per creare parti metalliche stampate in 3D di qualità superiore. Qui è mostrata una micrografia elettronica colorata di una lega di polvere di nichel utilizzata nello studio. Per gentile concessione di Raiyan Seede.
Un nuovo metodo sviluppato dai ricercatori di Texas A&M ottimizza le proprietà della lega e i parametri di processo per creare parti metalliche stampate in 3D di qualità superiore. Qui è mostrata una micrografia elettronica colorata di una lega di polvere di nichel utilizzata nello studio. Per gentile concessione di Raiyan Seede.

Le polveri metalliche in lega utilizzate per la produzione additiva possono contenere una miscela di metalli, come nichel, alluminio e magnesio, a diverse concentrazioni. Durante la stampa 3D con fusione di polvere a letto laser, queste polveri si raffreddano rapidamente dopo essere state riscaldate da un raggio laser. I diversi metalli nella polvere di lega hanno proprietà di raffreddamento diverse e si solidificano a velocità diverse. Questa incoerenza può creare difetti microscopici o microsegregazione.

"Quando la polvere di lega si raffredda, i singoli metalli possono precipitare", ha detto il ricercatore Raiyan Seede. “Immagina di versare il sale nell'acqua. Si dissolve subito quando la quantità di sale è piccola, ma man mano che versi più sale, le particelle di sale in eccesso che non si dissolvono iniziano a precipitare come cristalli. In sostanza, questo è ciò che accade nelle nostre leghe metalliche quando si raffreddano rapidamente dopo la stampa”. Seede ha affermato che questo difetto appare come minuscole tasche contenenti una concentrazione leggermente diversa degli ingredienti metallici rispetto a quella che si trova in altre aree della parte stampata.

I ricercatori hanno studiato le microstrutture di solidificazione di quattro leghe binarie a base di nichel. Negli esperimenti, hanno studiato la fase fisica per ciascuna lega a diverse temperature ea concentrazioni crescenti dell'altro metallo nella lega a base di nichel. Utilizzando diagrammi di fase dettagliati, i ricercatori hanno determinato la composizione chimica di ciascuna lega che causerebbe la minima microsegregazione durante la produzione additiva.

Successivamente, i ricercatori hanno fuso una singola traccia della polvere metallica in lega con diverse impostazioni del laser e hanno determinato i parametri del processo di fusione del letto di polvere laser che avrebbero fornito parti prive di porosità.
Un'immagine al microscopio elettronico a scansione di una singola sezione trasversale di scansione laser di una lega di nichel e zinco. Qui, fasi scure e ricche di nichel si alternano a fasi più chiare con microstruttura uniforme. Si può anche osservare un poro nella struttura del pool di fusione. Per gentile concessione di Raiyan Seede.
Un'immagine al microscopio elettronico a scansione di una singola sezione trasversale di scansione laser di una lega di nichel e zinco. Fasi scure e ricche di nichel si alternano a fasi più chiare con microstruttura uniforme. Si può anche osservare un poro nella struttura del pool di fusione. Per gentile concessione di Raiyan Seede.

Le informazioni ottenute dai diagrammi di fase, combinate con i risultati degli esperimenti a traccia singola, hanno fornito al team un'analisi completa delle impostazioni del laser e delle composizioni delle leghe a base di nichel che potrebbero produrre una parte stampata priva di porosità senza microsegregazione.

I ricercatori hanno quindi addestrato modelli di apprendimento automatico per identificare i modelli nei dati sperimentali a traccia singola e nei diagrammi di fase, per sviluppare un'equazione per la microsegregazione che potrebbe essere utilizzata con qualsiasi lega. Seede ha affermato che l'equazione è progettata per prevedere l'entità della segregazione data l'intervallo di solidificazione della lega e le proprietà del materiale e la potenza e la velocità del laser.

"Facciamo immersioni profonde nella messa a punto della microstruttura delle leghe in modo che ci sia un maggiore controllo sulle proprietà dell'oggetto stampato finale su una scala molto più fine rispetto a prima", ha detto Seede.

Con l'aumento dell'uso di leghe in AM, aumentano anche le sfide per la stampa di parti che soddisfano o superano gli standard di qualità di produzione. Lo studio Texas A&M consentirà ai produttori di ottimizzare la chimica delle leghe e i parametri di processo in modo che le leghe possano essere progettate specificamente per la produzione additiva e i produttori possano controllare le microstrutture a livello locale.

"La nostra metodologia facilita l'uso efficace di leghe di diverse composizioni per la produzione additiva senza la preoccupazione di introdurre difetti, anche su microscala", ha affermato il professor Ibrahim Karaman. "Questo lavoro sarà di grande beneficio per le industrie aerospaziale, automobilistica e della difesa che sono costantemente alla ricerca di modi migliori per costruire parti metalliche personalizzate".

Il professor Raymundo Arroyavé e il professor Alaa Elwany, che hanno collaborato con Seede e Karaman alla ricerca, hanno affermato che la metodologia può essere facilmente adattata dalle industrie per costruire parti robuste e prive di difetti con la loro lega preferita.