Cercetătorii au investigat în mod sistematic efectele compoziției aliajului asupra imprimabilității și solidificării microstructurilor, pentru a înțelege mai bine modul în care compoziția aliajului, variabilele de proces și termodinamica au afectat piesele fabricate aditiv. Prin experimente de imprimare 3D, ei au definit chimiile aliajelor și parametrii de proces necesari pentru a optimiza proprietățile aliajului și pentru a imprima piese superioare, identice, la microscală. Folosind învățarea automată, au creat o formulă care poate fi utilizată cu orice tip de aliaj pentru a ajuta la prevenirea neuniformității.
O nouă metodă dezvoltată de cercetătorii Texas A&M optimizează proprietățile aliajului și parametrii de proces pentru a crea piese metalice superioare imprimate 3D. Aici este prezentată o micrografie electronică colorată a unui aliaj de pulbere de nichel utilizat în studiu. Prin amabilitatea lui Raiyan Seede.
O nouă metodă dezvoltată de cercetătorii Texas A&M optimizează proprietățile aliajului și parametrii de proces pentru a crea piese metalice superioare imprimate 3D. Aici este prezentată o micrografie electronică colorată a unui aliaj de pulbere de nichel utilizat în studiu. Prin amabilitatea lui Raiyan Seede.

Pulberile metalice aliate utilizate pentru fabricarea aditivă pot conține un amestec de metale, cum ar fi nichel, aluminiu și magneziu, în diferite concentrații. În timpul imprimării 3D cu fuziune a pulberilor pe pat cu laser, aceste pulberi se răcesc rapid după ce sunt încălzite de un fascicul laser. Diferitele metale din pulberea de aliaj au proprietăți de răcire diferite și se solidifică la viteze diferite. Această inconsecvență poate crea defecte microscopice sau microsegregare.

„Când pulberea de aliaj se răcește, metalele individuale pot precipita”, a spus cercetătorul Raiyan Seede. „Imaginați-vă că turnați sare în apă. Se dizolvă imediat când cantitatea de sare este mică, dar pe măsură ce turnați mai multă sare, particulele de sare în exces care nu se dizolvă încep să precipite sub formă de cristale. În esență, asta se întâmplă în aliajele noastre metalice când se răcesc rapid după imprimare.” Seede a spus că acest defect apare ca niște buzunare minuscule care conțin o concentrație ușor diferită de ingrediente metalice față de ceea ce se găsește în alte zone ale piesei imprimate.

Cercetătorii au investigat microstructurile de solidificare a patru aliaje binare pe bază de nichel. În experimente, ei au studiat faza fizică pentru fiecare aliaj la diferite temperaturi și la concentrații crescânde ale celuilalt metal din aliajul pe bază de nichel. Folosind diagrame de fază detaliate, cercetătorii au determinat compoziția chimică a fiecărui aliaj care ar provoca cea mai mică microsegregare în timpul producției aditive.

Apoi, cercetătorii au topit o singură pistă a pulberii de metal din aliaj la diferite setări laser și au determinat parametrii procesului de fuziune a stratului de pulbere cu laser care ar furniza piese fără porozitate.
O imagine cu microscop electronic de scanare a unei singure secțiuni transversale de scanare cu laser a unui aliaj de nichel și zinc. Aici, fazele întunecate, bogate în nichel, intercalează faze mai ușoare cu microstructură uniformă. Un por poate fi observat și în structura bazinului de topire. Prin amabilitatea lui Raiyan Seede.
O imagine cu microscop electronic de scanare a unei singure secțiuni transversale de scanare cu laser a unui aliaj de nichel și zinc. Fazele întunecate, bogate în nichel, intercalează fazele mai ușoare cu microstructură uniformă. Un por poate fi observat și în structura bazinului de topire. Prin amabilitatea lui Raiyan Seede.

Informațiile obținute din diagramele de fază, combinate cu rezultatele experimentelor cu o singură pistă, au oferit echipei o analiză cuprinzătoare a setărilor laserului și a compozițiilor de aliaje pe bază de nichel care ar putea produce o piesă imprimată fără porozitate, fără microsegregare.

Cercetătorii au instruit apoi modele de învățare automată pentru a identifica modele în datele experimentale cu o singură pistă și diagramele de fază, pentru a dezvolta o ecuație pentru microsegregare care ar putea fi utilizată cu orice aliaj. Seede a spus că ecuația este concepută pentru a prezice gradul de segregare, având în vedere intervalul de solidificare a aliajului și proprietățile materialului și puterea și viteza laserului.

„Ne facem scufundări profunde în reglarea fină a microstructurii aliajelor, astfel încât să existe mai mult control asupra proprietăților obiectului final imprimat la o scară mult mai fină decât înainte”, a spus Seede.

Pe măsură ce utilizarea aliajelor în AM crește, la fel vor crește și provocările pentru imprimarea pieselor care îndeplinesc sau depășesc standardele de calitate de fabricație. Studiul Texas A&M va permite producătorilor să optimizeze chimia aliajelor și parametrii de proces, astfel încât aliajele să poată fi proiectate special pentru fabricarea aditivă, iar producătorii să poată controla microstructurile la nivel local.

„Metodologia noastră ușurează utilizarea cu succes a aliajelor de diferite compoziții pentru fabricarea aditivă, fără preocuparea de a introduce defecte, chiar și la microscală”, a spus profesorul Ibrahim Karaman. „Această lucrare va fi de mare beneficiu pentru industria aerospațială, auto și de apărare, care caută în mod constant modalități mai bune de a construi piese metalice personalizate.”

Profesorul Raymundo Arroyavé și profesorul Alaa Elwany, care au colaborat cu Seede și Karaman la cercetare, au spus că metodologia poate fi adaptată cu ușurință de către industrii pentru a construi piese robuste, fără defecte, cu aliajul lor ales.