Naukowcy systematycznie badali wpływ składu stopu na drukowność i krzepnięcie mikrostruktur, aby lepiej zrozumieć, w jaki sposób skład stopu, zmienne procesu i termodynamika wpływają na części wytwarzane addytywnie. Dzięki eksperymentom druku 3D zdefiniowali skład chemiczny stopu i parametry procesu wymagane do optymalizacji właściwości stopu i drukowania doskonałych, identycznych części w mikroskali. Korzystając z uczenia maszynowego, stworzyli formułę, którą można stosować z dowolnym rodzajem stopu, aby zapobiec niejednorodności.
Nowa metoda opracowana przez naukowców z Texas A&M optymalizuje właściwości stopu i parametry procesu, aby tworzyć najwyższej jakości części metalowe drukowane w 3D. Pokazano tutaj pokolorowaną mikrografię elektronową stopu sproszkowanego niklu użytego w badaniu. Dzięki uprzejmości Raiyana Seede.
Nowa metoda opracowana przez naukowców z Texas A&M optymalizuje właściwości stopu i parametry procesu, aby tworzyć najwyższej jakości części metalowe drukowane w 3D. Pokazano tutaj pokolorowaną mikrografię elektronową stopu sproszkowanego niklu użytego w badaniu. Dzięki uprzejmości Raiyana Seede.

Proszki metali stopowych używane do wytwarzania przyrostowego mogą zawierać mieszaninę metali, takich jak nikiel, aluminium i magnez, w różnych stężeniach. Podczas drukowania 3D w technologii laserowego fuzji proszkowej, proszki te szybko się ochładzają po podgrzaniu przez wiązkę laserową. Różne metale w proszku stopu mają różne właściwości chłodzące i zestalają się w różnym tempie. Ta niespójność może powodować mikroskopijne wady lub mikrosegregację.

„Kiedy proszek stopu ostygnie, poszczególne metale mogą się wytrącić” – powiedział badacz Raiyan Seede. „Wyobraź sobie nalewanie soli do wody. Rozpuszcza się natychmiast, gdy ilość soli jest niewielka, ale gdy wsypujesz więcej soli, jej nadmiar, który się nie rozpuszcza, zaczyna wytrącać się w postaci kryształków. Zasadniczo to właśnie dzieje się w naszych stopach metali, gdy szybko stygną po wydrukowaniu”. Seede powiedział, że ta wada wygląda jak małe kieszonki zawierające nieco inne stężenie składników metalowych niż w innych obszarach drukowanej części.

Naukowcy zbadali mikrostruktury krzepnięcia czterech dwuskładnikowych stopów na bazie niklu. W eksperymentach zbadali fazę fizyczną każdego stopu w różnych temperaturach i przy rosnących stężeniach innego metalu w stopie na bazie niklu. Korzystając ze szczegółowych diagramów fazowych, naukowcy określili skład chemiczny każdego stopu, który powodowałby najmniejszą mikrosegregację podczas wytwarzania przyrostowego.

Następnie naukowcy stopili pojedynczą ścieżkę sproszkowanego metalu stopowego przy różnych ustawieniach lasera i określili parametry procesu laserowego stapiania łoża proszkowego, które zapewnią części pozbawione porowatości.
Obraz ze skaningowego mikroskopu elektronowego pojedynczego przekroju skanu laserowego stopu niklu i cynku. Tutaj ciemne, bogate w nikiel fazy przeplatają jaśniejsze fazy o jednorodnej mikrostrukturze. Porów można również zaobserwować w strukturze jeziorka ze stopu. Dzięki uprzejmości Raiyana Seede.
Obraz ze skaningowego mikroskopu elektronowego pojedynczego przekroju skanu laserowego stopu niklu i cynku. Ciemne, bogate w nikiel fazy przeplatają jaśniejsze fazy o jednolitej mikrostrukturze. Porów można również zaobserwować w strukturze jeziorka ze stopu. Dzięki uprzejmości Raiyana Seede.

Informacje uzyskane z diagramów fazowych, w połączeniu z wynikami eksperymentów jednościeżkowych, zapewniły zespołowi kompleksową analizę ustawień lasera i składu stopów na bazie niklu, które umożliwiłyby uzyskanie części drukowanej pozbawionej porów bez mikrosegregacji.

Następnie naukowcy przeszkolili modele uczenia maszynowego, aby zidentyfikować wzorce w jednościeżkowych danych eksperymentalnych i diagramach fazowych, aby opracować równanie mikrosegregacji, które można wykorzystać z dowolnym stopem. Seede powiedział, że równanie ma na celu przewidzenie stopnia segregacji, biorąc pod uwagę zakres krzepnięcia stopu i właściwości materiału oraz moc i prędkość lasera.

„Zagłębiamy się głęboko w dostrajanie mikrostruktury stopów, aby mieć większą kontrolę nad właściwościami końcowego drukowanego obiektu w znacznie mniejszej skali niż wcześniej” – powiedział Seede.

Wraz ze wzrostem wykorzystania stopów w technologii AM, rosną wyzwania związane z drukowaniem części, które spełniają lub przekraczają standardy jakości produkcji. Badanie Texas A&M umożliwi producentom optymalizację chemii stopów i parametrów procesu, tak aby stopy mogły być projektowane specjalnie do wytwarzania przyrostowego, a producenci mogli lokalnie kontrolować mikrostruktury.

„Nasza metodologia ułatwia pomyślne wykorzystanie stopów o różnych składach do wytwarzania przyrostowego bez obawy o wprowadzanie defektów, nawet w mikroskali” – powiedział profesor Ibrahim Karaman. „Ta praca będzie bardzo korzystna dla przemysłu lotniczego, motoryzacyjnego i obronnego, które nieustannie poszukują lepszych sposobów na budowanie niestandardowych części metalowych”.

Profesor Raymundo Arroyavé i profesor Alaa Elwany, którzy współpracowali przy badaniach z Seede i Karamanem, stwierdzili, że metodologia może być łatwo dostosowana przez przemysł do budowy wytrzymałych, wolnych od wad części z ich wybranego stopu.