연구원들은 합금 조성, 공정 변수 및 열역학이 적층 제조 부품에 어떻게 영향을 미치는지 더 잘 이해하기 위해 미세 구조의 인쇄성 및 응고에 대한 합금 조성의 영향을 체계적으로 조사했습니다. 3D 프린팅 실험을 통해 그들은 합금 특성을 최적화하고 마이크로 스케일에서 우수하고 동일한 부품을 인쇄하는 데 필요한 합금 화학 및 공정 매개변수를 정의했습니다. 기계 학습을 사용하여 불균일을 방지하는 데 도움이 되는 모든 유형의 합금과 함께 사용할 수 있는 공식을 만들었습니다.
Texas A&M 연구원이 개발한 새로운 방법은 합금 특성과 공정 매개변수를 최적화하여 우수한 3D 인쇄 금속 부품을 생성합니다. 다음은 연구에 사용된 니켈 분말 합금의 착색된 전자 현미경 사진입니다. Raiyan Seede의 의례.
Texas A&M 연구원이 개발한 새로운 방법은 합금 특성과 공정 매개변수를 최적화하여 우수한 3D 인쇄 금속 부품을 생성합니다. 다음은 연구에 사용된 니켈 분말 합금의 착색된 전자 현미경 사진입니다. Raiyan Seede의 의례.

적층 제조에 사용되는 합금 금속 분말은 니켈, 알루미늄 및 마그네슘과 같은 금속 혼합물을 다양한 농도로 함유할 수 있습니다. 레이저 베드 분말 융합 3D 프린팅 중 이러한 분말은 레이저 빔으로 가열된 후 빠르게 냉각됩니다. 합금 분말의 다른 금속은 다른 냉각 특성을 가지며 다른 속도로 응고됩니다. 이러한 불일치는 미세한 결함 또는 미세 분리를 생성할 수 있습니다.

"합금 분말이 냉각되면 개별 금속이 침전될 수 있습니다."라고 Raiyan Seede 연구원이 말했습니다. “물에 소금을 붓는다고 상상해보세요. 소금의 양이 적으면 바로 녹지만 소금을 더 많이 부을수록 녹지 않는 잉여 소금 입자가 결정으로 석출되기 시작합니다. 본질적으로 이것이 우리 금속 합금이 인쇄 후 빠르게 냉각될 때 일어나는 일입니다.” Seede는 이 결함이 인쇄된 부품의 다른 영역에서 발견되는 것과는 약간 다른 농도의 금속 성분을 포함하는 작은 주머니로 나타난다고 말했습니다.

연구원들은 4가지 이원 니켈 기반 합금의 응고 미세구조를 조사했습니다. 실험에서 그들은 니켈 기반 합금에서 다른 금속의 농도와 다른 온도에서 각 합금의 물리적 위상을 연구했습니다. 상세한 위상 다이어그램을 사용하여 연구원들은 적층 제조 중 미세 편석을 최소화하는 각 합금의 화학적 조성을 결정했습니다.

다음으로, 연구원들은 다른 레이저 설정에서 합금 금속 분말의 단일 트랙을 녹이고 다공성이 없는 부품을 제공할 레이저 분말 베드 융합 공정 매개변수를 결정했습니다.
니켈 및 아연 합금의 단일 레이저 스캔 단면의 주사 전자 현미경 이미지. 여기에서 어두운 니켈이 풍부한 상은 균일한 미세 구조를 가진 밝은 상을 끼웁니다. 용융 풀 구조에서도 기공을 관찰할 수 있습니다. Raiyan Seede의 의례.
니켈 및 아연 합금의 단일 레이저 스캔 단면의 주사 전자 현미경 이미지. 어둡고 니켈이 풍부한 상은 균일한 미세 구조로 더 밝은 상을 끼웁니다. 용융 풀 구조에서도 기공을 관찰할 수 있습니다. Raiyan Seede의 의례.

단일 트랙 실험의 결과와 결합된 위상 다이어그램에서 얻은 정보는 팀에게 미세편석 없이 다공성이 없는 인쇄 부품을 생성할 수 있는 레이저 설정 및 니켈 기반 합금 구성에 대한 포괄적인 분석을 제공했습니다.

다음으로 연구원들은 단일 트랙 실험 데이터 및 위상 다이어그램에서 패턴을 식별하고 모든 합금에 사용할 수 있는 미세 편석에 대한 방정식을 개발하기 위해 기계 학습 모델을 훈련했습니다. Seede는 방정식이 합금의 응고 범위와 재료 특성, 레이저의 출력 및 속도를 감안할 때 편석 정도를 예측하도록 설계되었다고 말했습니다.

Seede는 "우리는 합금의 미세 구조를 미세 조정하여 이전보다 훨씬 더 미세한 규모로 최종 인쇄 대상의 특성을 더 많이 제어할 수 있도록 심층 분석합니다."라고 말했습니다.

AM에서 합금 사용이 증가함에 따라 제조 품질 표준을 충족하거나 초과하는 부품을 인쇄하는 문제도 증가할 것입니다. Texas A&M 연구를 통해 제조업체는 합금 화학 및 공정 매개변수를 최적화하여 합금을 적층 제조용으로 특별히 설계하고 제조업체가 현지에서 미세 구조를 제어할 수 있습니다.

Ibrahim Karaman 교수는 “우리의 방법론은 심지어 미시적 규모에서도 결함 도입에 대한 우려 없이 적층 제조를 위해 다양한 조성의 합금을 성공적으로 사용하는 것을 용이하게 합니다. "이 작업은 맞춤형 금속 부품을 제작하는 더 나은 방법을 끊임없이 찾고 있는 항공우주, 자동차 및 방위 산업에 큰 이점이 될 것입니다."

Seede 및 Karaman과 공동으로 연구를 수행한 Raymundo Arroyavé 교수와 Alaa Elwany 교수는 이 방법론을 업계에서 쉽게 적용하여 선택한 합금으로 견고하고 결함이 없는 부품을 만들 수 있다고 말했습니다.