研究者らは、合金組成、プロセス変数、および熱力学が付加的に製造された部品にどのように影響するかをよりよく理解するために、微細構造の印刷適性と凝固に対する合金組成の影響を体系的に調査しました。 3D印刷実験を通じて、彼らは合金の特性を最適化し、マイクロスケールで優れた同一部品を印刷するために必要な合金の化学的性質とプロセスパラメータを定義しました。 機械学習を使用して、不均一性を防ぐためにあらゆる種類の合金で使用できる式を作成しました。
Texas A＆Mの研究者によって開発された新しい方法は、合金の特性とプロセスパラメータを最適化して、優れた3Dプリントされた金属部品を作成します。 ここに示されているのは、研究で使用されたニッケル粉末合金の着色された電子顕微鏡写真です。 RaiyanSeedeの礼儀。
Texas A＆Mの研究者によって開発された新しい方法は、合金の特性とプロセスパラメータを最適化して、優れた3Dプリントされた金属部品を作成します。 ここに示されているのは、研究で使用されたニッケル粉末合金の着色された電子顕微鏡写真です。 RaiyanSeedeの礼儀。

アディティブマニュファクチャリングに使用される合金金属粉末には、ニッケル、アルミニウム、マグネシウムなどの金属の混合物をさまざまな濃度で含めることができます。 レーザーベッド粉末融合3D印刷中、これらの粉末は、レーザービームによって加熱された後、急速に冷却されます。 合金粉末中の異なる金属は異なる冷却特性を持ち、異なる速度で固化します。 この不一致により、微視的な欠陥や微小な偏析が発生する可能性があります。

「合金粉末が冷えると、個々の金属が析出する可能性があります」と研究者のライヤン・シード氏は述べています。 「水に塩を注ぐことを想像してみてください。 塩の量が少ないとすぐに溶けますが、塩を多く注ぐと、溶けない余分な塩粒子が結晶として沈殿し始めます。 本質的に、それは私たちの金属合金が印刷後に急速に冷えるときに起こっていることです。」 シード氏によると、この欠陥は、印刷された部品の他の領域に見られるものとはわずかに異なる濃度の金属成分を含む小さなポケットとして現れるとのことです。

研究者らは、4つの二元ニッケル基合金の凝固微細構造を調査しました。 実験では、彼らは、ニッケルベースの合金中の他の金属の濃度を上げながら、さまざまな温度で各合金の物理的相を研究しました。 詳細な状態図を使用して、研究者は、積層造形中に最小の微小偏析を引き起こす各合金の化学組成を決定しました。

次に、研究者は、さまざまなレーザー設定で合金金属粉末の単一トラックを溶融し、多孔性のない部品を提供するレーザー粉末床溶融プロセスパラメーターを決定しました。
ニッケルおよび亜鉛合金の単一レーザースキャン断面の走査型電子顕微鏡画像。 ここでは、ニッケルが豊富な暗い相が、均一な微細構造を持つ明るい相をインターリーブします。 溶融池構造にも細孔が見られます。 RaiyanSeedeの礼儀。
ニッケルおよび亜鉛合金の単一レーザースキャン断面の走査型電子顕微鏡画像。 ニッケルに富む暗い相は、均一な微細構造を持つ明るい相をインターリーブします。 溶融池構造にも細孔が見られます。 RaiyanSeedeの礼儀。

状態図から得られた情報は、シングルトラック実験の結果と組み合わされて、マイクロセグリゲーションなしで多孔性のない印刷部品を生​​成できるレーザー設定とニッケルベースの合金組成の包括的な分析をチームに提供しました。

次に、研究者は機械学習モデルをトレーニングして、シングルトラックの実験データと状態図のパターンを特定し、任意の合金で使用できる微小偏析の方程式を開発しました。 シード氏によると、この方程式は、合金の凝固範囲と材料特性、およびレーザーの出力と速度を考慮して、分離の程度を予測するように設計されているという。

「私たちは合金の微細構造を微調整することを深く掘り下げて、最終的な印刷物の特性を以前よりもはるかに細かいスケールでより細かく制御できるようにします」とSeede氏は述べています。

AMでの合金の使用が増えると、製造品質基準を満たす、または超える部品を印刷する際の課題も増えます。 Texas A＆Mの研究により、製造業者は合金の化学的性質とプロセスパラメータを最適化できるため、合金を積層造形用に特別に設計でき、製造業者は微細構造をローカルで制御できます。

「私たちの方法論は、マイクロスケールでさえ欠陥を導入することを心配することなく、積層造形のための異なる組成の合金の成功した使用を容易にします」とイブラヒム・カラマン教授は言いました。 「この作業は、カスタム金属部品を構築するためのより良い方法を常に模索している航空宇宙、自動車、および防衛産業にとって大きなメリットになります。」

研究でSeedeとKaramanと協力したRaymundoArroyavé教授とAlaaElwany教授は、この方法論は、選択した合金で頑丈で欠陥のない部品を構築するために、業界によって簡単に適応できると述べました。