החוקרים חקרו באופן שיטתי את ההשפעות של הרכב סגסוגת על יכולת ההדפסה וההתמצקות של מיקרו-מבנים, כדי להבין טוב יותר כיצד הרכב הסגסוגת, משתני התהליך והתרמודינמיקה השפיעו על חלקים שיוצרו באופן תוסף. באמצעות ניסויים בהדפסה תלת מימדית, הם הגדירו את הכימיה של הסגסוגת ואת פרמטרי התהליך הנדרשים כדי לייעל את תכונות הסגסוגת ולהדפיס חלקים מעולים וזהים בקנה מידה מיקרו. באמצעות למידת מכונה, הם יצרו נוסחה שניתן להשתמש בה עם כל סוג של סגסוגת כדי לסייע במניעת אי אחידות.
שיטה חדשה שפותחה על ידי חוקרי טקסס A&M מייעלת את תכונות הסגסוגת ופרמטרי התהליך ליצירת חלקי מתכת מעולים בהדפסת תלת מימד. מוצג כאן מיקרוסקופ אלקטרוני צבעוני של סגסוגת אבקת ניקל ששימשה במחקר. באדיבות Raiyan Seede.
שיטה חדשה שפותחה על ידי חוקרי טקסס A&M מייעלת את תכונות הסגסוגת ופרמטרי התהליך ליצירת חלקי מתכת מעולים בהדפסת תלת מימד. מוצג כאן מיקרוסקופ אלקטרוני צבעוני של סגסוגת אבקת ניקל ששימשה במחקר. באדיבות Raiyan Seede.

אבקות מתכת סגסוגת המשמשות לייצור תוסף יכולות להכיל תערובת של מתכות, כגון ניקל, אלומיניום ומגנזיום, בריכוזים שונים. במהלך הדפסת היתוך תלת מימד של אבקת לייזר, אבקות אלו מתקררות במהירות לאחר שהן מחוממות על ידי קרן לייזר. למתכות השונות באבקת הסגסוגת תכונות קירור שונות ומתמצקות בקצבים שונים. חוסר עקביות זה יכול ליצור פגמים מיקרוסקופיים, או הפרדה מיקרוסקופית.

"כאשר אבקת הסגסוגת מתקררת, המתכות הבודדות יכולות לזרז החוצה", אמר החוקר Raiyan Seede. "תאר לעצמך לשפוך מלח במים. הוא מתמוסס מיד כאשר כמות המלח קטנה, אך ככל ששופכים יותר מלח, חלקיקי המלח העודפים שאינם מתמוססים מתחילים לנשור החוצה כגבישים. בעצם, זה מה שקורה בסגסוגות המתכת שלנו כשהן מתקררות במהירות לאחר ההדפסה". Seede אמר כי פגם זה מופיע ככיסים זעירים המכילים ריכוז מעט שונה של מרכיבי המתכת ממה שנמצא באזורים אחרים של החלק המודפס.

החוקרים חקרו את מבני המיקרו של ארבע סגסוגות בינאריות על בסיס ניקל. בניסויים הם חקרו את השלב הפיזי של כל סגסוגת בטמפרטורות שונות ובריכוזים הולכים וגדלים של המתכת האחרת בסגסוגת המבוססת על ניקל. באמצעות דיאגרמות פאזה מפורטות, החוקרים קבעו את ההרכב הכימי של כל סגסוגת שיגרום לפחות מיקרו הפרדה במהלך ייצור תוסף.

לאחר מכן, החוקרים המסו מסלול בודד של אבקת מתכת הסגסוגת בהגדרות לייזר שונות וקבעו את פרמטרי תהליך היתוך מיטת הלייזר שיספקו חלקים נטולי נקבוביות.
תמונת מיקרוסקופ אלקטרוני סורק של חתך סריקת לייזר יחיד של סגסוגת ניקל ואבץ. כאן, פאזות כהות, עשירות בניקל, משלבות שלבים בהירים יותר עם מבנה מיקרו אחיד. ניתן לראות נקבובית גם במבנה בריכת ההיתוך. באדיבות Raiyan Seede.
תמונת מיקרוסקופ אלקטרוני סורק של חתך סריקת לייזר יחיד של סגסוגת ניקל ואבץ. פאזות כהות, עשירות בניקל, משלבות שלבים בהירים יותר עם מבנה מיקרו אחיד. ניתן לראות נקבובית גם במבנה בריכת ההיתוך. באדיבות Raiyan Seede.

המידע שהתקבל מדיאגרמות הפאזות, בשילוב עם התוצאות מהניסויים החד-מסלוליים, סיפקו לצוות ניתוח מקיף של הגדרות הלייזר והרכבי סגסוגת מבוססי ניקל שיכולים להניב חלק מודפס נטול נקבוביות ללא מיקרו הפרדה.

לאחר מכן, החוקרים הכשירו מודלים של למידת מכונה כדי לזהות דפוסים בנתונים הניסויים החד-מסלוליים ובדיאגרמות פאזה, כדי לפתח משוואה למיקרו-הפרדה שיכולה לשמש עם כל סגסוגת. Seede אמר כי המשוואה נועדה לחזות את מידת ההפרדה בהתחשב בטווח ההתמצקות של הסגסוגת ותכונות החומר והכוח והמהירות של הלייזר.

"אנחנו עושים צלילות עמוקות לכוונון עדין של מבנה המיקרו של סגסוגות כך שתהיה שליטה רבה יותר על המאפיינים של האובייקט המודפס הסופי בקנה מידה עדין בהרבה מבעבר", אמר Seede.

ככל שהשימוש בסגסוגות ב-AM יגדל, כך יגדלו האתגרים להדפסת חלקים העומדים בתקני איכות ייצור או עולים עליהם. מחקר A&M של טקסס יאפשר ליצרנים לייעל את הכימיה של הסגסוגות ואת פרמטרי התהליך, כך שניתן יהיה לעצב סגסוגות במיוחד לייצור תוספים ויצרנים יכולים לשלוט במבנים מיקרוניים באופן מקומי.

"המתודולוגיה שלנו מקלה על השימוש המוצלח בסגסוגות בהרכבים שונים לייצור תוספים ללא חשש להחדרת פגמים, אפילו בקנה מידה מיקרו", אמר פרופסור איברהים קארמן. "עבודה זו תועיל מאוד לתעשיות התעופה והחלל, הרכב והתעשיות הביטחוניות שמחפשות כל הזמן דרכים טובות יותר לבנות חלקי מתכת מותאמים אישית."

פרופסור Raymundo Arroyavé ופרופסור עלא אלוואני, ששיתפו פעולה עם Seede ו-Karaman במחקר, אמרו כי ניתן להתאים את המתודולוגיה בקלות על ידי תעשיות לבניית חלקים יציבים וללא פגמים עם הסגסוגת המועדפת עליהם.