Forskerne undersøkte systematisk effekten av legeringssammensetning på trykkbarhet og størkning av mikrostrukturer, for bedre å forstå hvordan legeringssammensetning, prosessvariabler og termodynamikk påvirket additivt produserte deler. Gjennom 3D-utskriftseksperimenter definerte de legeringskjemiene og prosessparametrene som kreves for å optimere legeringsegenskaper og skrive ut overlegne, identiske deler i mikroskala. Ved å bruke maskinlæring laget de en formel som kan brukes med alle typer legeringer for å forhindre ujevnhet.
En ny metode utviklet av Texas A&M-forskere optimerer legeringsegenskaper og prosessparametere for å skape overlegne 3D-printede metalldeler. Her vises et farget elektronmikrofotografi av en nikkelpulverlegering brukt i studien. Med tillatelse fra Raiyan Seede.
En ny metode utviklet av Texas A&M-forskere optimerer legeringsegenskaper og prosessparametere for å skape overlegne 3D-printede metalldeler. Her vises et farget elektronmikrofotografi av en nikkelpulverlegering brukt i studien. Med tillatelse fra Raiyan Seede.

Legeringsmetallpulver som brukes til additiv produksjon kan inneholde en blanding av metaller, som nikkel, aluminium og magnesium, i forskjellige konsentrasjoner. Under laserbed powder fusion 3D-utskrift avkjøles disse pulverene raskt etter at de er varmet opp av en laserstråle. De forskjellige metallene i legeringspulveret har forskjellige kjøleegenskaper og størkner med forskjellige hastigheter. Denne inkonsekvensen kan skape mikroskopiske feil, eller mikrosegregering.

"Når legeringspulveret avkjøles, kan de enkelte metallene felle ut," sa forsker Raiyan Seede. «Tenk deg å helle salt i vann. Det løses opp med en gang når saltmengden er liten, men etter hvert som du heller mer salt, begynner de overflødige saltpartiklene som ikke løser seg ut som krystaller. I hovedsak er det det som skjer i metallegeringene våre når de avkjøles raskt etter utskrift.» Seede sa at denne defekten fremstår som små lommer som inneholder en litt annen konsentrasjon av metallingrediensene enn det som finnes i andre områder av den trykte delen.

Forskerne undersøkte størkningsmikrostrukturene til fire binære nikkelbaserte legeringer. I eksperimenter studerte de den fysiske fasen for hver legering ved forskjellige temperaturer og ved økende konsentrasjoner av det andre metallet i den nikkelbaserte legeringen. Ved hjelp av detaljerte fasediagrammer bestemte forskerne den kjemiske sammensetningen av hver legering som ville forårsake minst mikrosegregering under additiv produksjon.

Deretter smeltet forskerne et enkelt spor av legeringsmetallpulveret ved forskjellige laserinnstillinger og bestemte laserpulverbed-fusjonsprosessparametrene som ville levere porøsitetsfrie deler.
Et skanningselektronmikroskopbilde av et enkelt laserskannet tverrsnitt av en nikkel- og sinklegering. Her sammenfletter mørke, nikkelrike faser lysere faser med jevn mikrostruktur. En pore kan også observeres i smeltebassengstrukturen. Med tillatelse fra Raiyan Seede.
Et skanningselektronmikroskopbilde av et enkelt laserskannet tverrsnitt av en nikkel- og sinklegering. Mørke, nikkelrike faser sammenfletter lettere faser med jevn mikrostruktur. En pore kan også observeres i smeltebassengstrukturen. Med tillatelse fra Raiyan Seede.

Informasjonen hentet fra fasediagrammene, kombinert med resultatene fra enkeltsporseksperimentene, ga teamet en omfattende analyse av laserinnstillingene og nikkelbaserte legeringssammensetninger som kunne gi en porøsitetsfri trykt del uten mikrosegregering.

Forskerne trente deretter maskinlæringsmodeller for å identifisere mønstre i enkeltspors eksperimentelle data og fasediagrammer, for å utvikle en ligning for mikrosegregering som kan brukes med hvilken som helst legering. Seede sa at ligningen er designet for å forutsi omfanget av segregering gitt legeringens størkningsområde og materialegenskaper og laserens kraft og hastighet.

"Vi tar dype dykk i å finjustere mikrostrukturen til legeringer slik at det er mer kontroll over egenskapene til det endelige trykte objektet i en mye finere skala enn før," sa Seede.

Ettersom bruken av legeringer i AM øker, vil også utfordringene med å skrive ut deler som oppfyller eller overgår produksjonskvalitetsstandarder øke. Texas A&M-studien vil gjøre det mulig for produsenter å optimalisere legeringskjemi og prosessparametere slik at legeringer kan utformes spesielt for additiv produksjon og produsenter kan kontrollere mikrostrukturer lokalt.

"Vår metodikk letter den vellykkede bruken av legeringer med forskjellige sammensetninger for additiv produksjon uten bekymring for å introdusere defekter, selv i mikroskala," sa professor Ibrahim Karaman. "Dette arbeidet vil være til stor fordel for romfarts-, bil- og forsvarsindustrien som hele tiden leter etter bedre måter å bygge spesialtilpassede metalldeler."

Professor Raymundo Arroyavé og professor Alaa Elwany, som samarbeidet med Seede og Karaman om forskningen, sa at metodikken lett kan tilpasses av industrier for å bygge solide, defektfrie deler med deres valg av legering.