De onderzoekers onderzochten systematisch de effecten van legeringssamenstelling op de bedrukbaarheid en stolling van microstructuren, om beter te begrijpen hoe legeringssamenstelling, procesvariabelen en thermodynamica additief vervaardigde onderdelen beïnvloedden. Door middel van 3D-printexperimenten definieerden ze de legeringschemie en procesparameters die nodig zijn om legeringseigenschappen te optimaliseren en superieure, identieke onderdelen op microschaal te printen. Met behulp van machine learning creëerden ze een formule die met elk type legering kan worden gebruikt om niet-uniformiteit te voorkomen.
Een nieuwe methode ontwikkeld door Texas A&M-onderzoekers optimaliseert legeringseigenschappen en procesparameters om superieure 3D-geprinte metalen onderdelen te creëren. Hier wordt een ingekleurde elektronenmicrofoto getoond van een nikkelpoederlegering die in het onderzoek is gebruikt. Met dank aan Raiyan Seede.
Een nieuwe methode ontwikkeld door Texas A&M-onderzoekers optimaliseert legeringseigenschappen en procesparameters om superieure 3D-geprinte metalen onderdelen te creëren. Hier wordt een ingekleurde elektronenmicrofoto getoond van een nikkelpoederlegering die in het onderzoek is gebruikt. Met dank aan Raiyan Seede.

Gelegeerde metaalpoeders die worden gebruikt voor additive manufacturing kunnen een mengsel van metalen bevatten, zoals nikkel, aluminium en magnesium, in verschillende concentraties. Tijdens 3D-printen met laserbedpoederfusie koelen deze poeders snel af nadat ze zijn verwarmd door een laserstraal. De verschillende metalen in het legeringspoeder hebben verschillende koeleigenschappen en stollen met verschillende snelheden. Deze inconsistentie kan microscopische gebreken of microsegregatie veroorzaken.

"Wanneer het legeringspoeder afkoelt, kunnen de afzonderlijke metalen neerslaan", zei onderzoeker Raiyan Seede. “Stel je voor dat je zout in water giet. Het lost meteen op als de hoeveelheid zout klein is, maar naarmate je meer zout giet, beginnen de overtollige zoutdeeltjes die niet oplossen neer te slaan als kristallen. Dat is in essentie wat er gebeurt in onze metaallegeringen als ze snel afkoelen na het printen.” Seede zei dat dit defect verschijnt als kleine zakjes met een iets andere concentratie van de metalen ingrediënten dan wat wordt aangetroffen in andere delen van het afgedrukte deel.

De onderzoekers onderzochten de stollingsmicrostructuren van vier binaire legeringen op nikkelbasis. In experimenten bestudeerden ze de fysieke fase van elke legering bij verschillende temperaturen en bij toenemende concentraties van het andere metaal in de op nikkel gebaseerde legering. Met behulp van gedetailleerde fasediagrammen bepaalden de onderzoekers de chemische samenstelling van elke legering die de minste microsegregatie zou veroorzaken tijdens additive manufacturing.

Vervolgens smolten de onderzoekers een enkel spoor van het legeringsmetaalpoeder bij verschillende laserinstellingen en bepaalden de parameters van het laserpoederbedfusieproces die porositeitvrije onderdelen zouden opleveren.
Een scanning-elektronenmicroscoopbeeld van een enkele laserscandwarsdoorsnede van een nikkel- en zinklegering. Hier verweven donkere, nikkelrijke fasen lichtere fasen met een uniforme microstructuur. Een porie kan ook worden waargenomen in de structuur van het smeltbad. Met dank aan Raiyan Seede.
Een scanning-elektronenmicroscoopbeeld van een enkele laserscandwarsdoorsnede van een nikkel- en zinklegering. Donkere, nikkelrijke fasen verweven lichtere fasen met een uniforme microstructuur. Een porie kan ook worden waargenomen in de structuur van het smeltbad. Met dank aan Raiyan Seede.

De informatie verkregen uit de fasediagrammen, gecombineerd met de resultaten van de enkelsporige experimenten, leverde het team een ​​uitgebreide analyse op van de laserinstellingen en op nikkel gebaseerde legeringssamenstellingen die een porositeitvrij geprint onderdeel konden opleveren zonder microsegregatie.

De onderzoekers trainden vervolgens machinale leermodellen om patronen in de enkelsporige experimentele gegevens en fasediagrammen te identificeren, om een ​​vergelijking voor microsegregatie te ontwikkelen die met elke legering zou kunnen worden gebruikt. Seede zei dat de vergelijking is ontworpen om de mate van segregatie te voorspellen, gezien het stollingsbereik en de materiaaleigenschappen van de legering en het vermogen en de snelheid van de laser.

"We duiken diep in het verfijnen van de microstructuur van legeringen, zodat er meer controle is over de eigenschappen van het uiteindelijke geprinte object op een veel fijnere schaal dan voorheen", zei Seede.

Naarmate het gebruik van legeringen in AM toeneemt, nemen ook de uitdagingen toe voor het printen van onderdelen die voldoen aan de productiekwaliteitsnormen of deze zelfs overtreffen. De Texas A&M-studie stelt fabrikanten in staat om de chemie en procesparameters van legeringen te optimaliseren, zodat legeringen specifiek kunnen worden ontworpen voor additieve fabricage en fabrikanten microstructuren lokaal kunnen controleren.

"Onze methodologie vergemakkelijkt het succesvolle gebruik van legeringen van verschillende samenstellingen voor additieve fabricage zonder de zorg voor het introduceren van defecten, zelfs op microschaal", zei professor Ibrahim Karaman. "Dit werk zal van groot voordeel zijn voor de lucht- en ruimtevaart-, automobiel- en defensie-industrie die constant op zoek zijn naar betere manieren om op maat gemaakte metalen onderdelen te bouwen."

Professor Raymundo Arroyavé en professor Alaa Elwany, die met Seede en Karaman aan het onderzoek hebben samengewerkt, zeiden dat de methodologie gemakkelijk door industrieën kan worden aangepast om stevige, defectvrije onderdelen te bouwen met hun legering naar keuze.