Os pesquisadores investigaram sistematicamente os efeitos da composição da liga na capacidade de impressão e solidificação das microestruturas, para entender melhor como a composição da liga, as variáveis ​​do processo e a termodinâmica afetavam as peças manufaturadas aditivamente. Por meio de experimentos de impressão 3D, eles definiram a química da liga e os parâmetros do processo necessários para otimizar as propriedades da liga e imprimir peças idênticas e superiores em microescala. Usando o aprendizado de máquina, eles criaram uma fórmula que pode ser usada com qualquer tipo de liga para ajudar a prevenir a não uniformidade.
Um novo método desenvolvido pelos pesquisadores da Texas A&M otimiza as propriedades da liga e os parâmetros do processo para criar peças de metal impressas em 3D de qualidade superior. Aqui é mostrada uma micrografia eletrônica colorida de uma liga de níquel em pó usada no estudo. Cortesia de Raiyan Seede.
Um novo método desenvolvido pelos pesquisadores da Texas A&M otimiza as propriedades da liga e os parâmetros do processo para criar peças de metal impressas em 3D de qualidade superior. Aqui é mostrada uma micrografia eletrônica colorida de uma liga de níquel em pó usada no estudo. Cortesia de Raiyan Seede.

Os pós de ligas metálicas usados ​​para manufatura aditiva podem conter uma mistura de metais, como níquel, alumínio e magnésio, em diferentes concentrações. Durante a impressão 3D de fusão de pó a laser, esses pós resfriam rapidamente após serem aquecidos por um feixe de laser. Os diferentes metais no pó da liga têm diferentes propriedades de resfriamento e solidificam em diferentes taxas. Essa inconsistência pode criar falhas microscópicas ou microssegregação.

“Quando o pó da liga esfria, os metais individuais podem precipitar”, disse o pesquisador Raiyan Seede. “Imagine derramar sal na água. Ele se dissolve imediatamente quando a quantidade de sal é pequena, mas conforme você despeja mais sal, o excesso de partículas de sal que não se dissolvem começa a precipitar como cristais. Em essência, é isso que está acontecendo em nossas ligas metálicas quando esfriam rapidamente após a impressão. ” Seede disse que esse defeito aparece como bolsos minúsculos contendo uma concentração ligeiramente diferente dos ingredientes de metal do que é encontrado em outras áreas da parte impressa.

Os pesquisadores investigaram as microestruturas de solidificação de quatro ligas binárias à base de níquel. Em experimentos, eles estudaram a fase física de cada liga em diferentes temperaturas e em concentrações crescentes do outro metal na liga à base de níquel. Usando diagramas de fase detalhados, os pesquisadores determinaram a composição química de cada liga que causaria a menor microssegregação durante a manufatura aditiva.

Em seguida, os pesquisadores derreteram uma única trilha do pó de liga metálica em diferentes configurações de laser e determinaram os parâmetros do processo de fusão do leito de pó do laser que forneceriam peças livres de porosidade.
Imagem de um microscópio eletrônico de varredura de uma única seção transversal de varredura a laser de uma liga de níquel e zinco. Aqui, fases escuras ricas em níquel intercalam fases mais claras com microestrutura uniforme. Um poro também pode ser observado na estrutura do banho de fusão. Cortesia de Raiyan Seede.
Imagem de um microscópio eletrônico de varredura de uma única seção transversal de varredura a laser de uma liga de níquel e zinco. Fases escuras ricas em níquel intercalam fases mais claras com microestrutura uniforme. Um poro também pode ser observado na estrutura do banho de fusão. Cortesia de Raiyan Seede.

As informações obtidas nos diagramas de fase, combinadas com os resultados dos experimentos de pista única, forneceram à equipe uma análise abrangente das configurações do laser e composições de ligas à base de níquel que poderiam render uma parte impressa sem porosidade sem microssegregação.

Em seguida, os pesquisadores treinaram modelos de aprendizado de máquina para identificar padrões nos dados experimentais de pista única e diagramas de fase, para desenvolver uma equação para microssegregação que pudesse ser usada com qualquer liga. Seede disse que a equação foi projetada para prever a extensão da segregação, dada a faixa de solidificação da liga, as propriedades do material e a potência e velocidade do laser.

“Nós mergulhamos profundamente no ajuste fino da microestrutura das ligas para que haja mais controle sobre as propriedades do objeto impresso final em uma escala muito mais precisa do que antes”, disse Seede.

Conforme o uso de ligas em AM aumenta, também aumentam os desafios para imprimir peças que atendam ou excedam os padrões de qualidade de fabricação. O estudo Texas A&M permitirá que os fabricantes otimizem a química das ligas e os parâmetros do processo para que as ligas possam ser projetadas especificamente para manufatura aditiva e os fabricantes possam controlar as microestruturas localmente.

“Nossa metodologia facilita o uso bem-sucedido de ligas de diferentes composições na fabricação de aditivos sem a preocupação de introduzir defeitos, mesmo em microescala”, disse o professor Ibrahim Karaman. “Este trabalho será de grande benefício para as indústrias aeroespacial, automotiva e de defesa que estão constantemente procurando por melhores maneiras de construir peças de metal personalizadas.”

O professor Raymundo Arroyavé e o professor Alaa Elwany, que colaborou com Seede e Karaman na pesquisa, disseram que a metodologia pode ser facilmente adaptada pelas indústrias para construir peças resistentes e sem defeitos com a liga de sua escolha.