Výskumníci systematicky skúmali účinky zloženia zliatiny na potlačiteľnosť a tuhnutie mikroštruktúr, aby lepšie pochopili, ako zloženie zliatiny, procesné premenné a termodynamika ovplyvnili aditívne vyrábané diely. Prostredníctvom experimentov s 3D tlačou definovali chemické zloženie zliatin a parametre procesu potrebné na optimalizáciu vlastností zliatiny a tlač vynikajúcich, identických častí v mikromeradle. Pomocou strojového učenia vytvorili vzorec, ktorý možno použiť s akýmkoľvek typom zliatiny, aby sa zabránilo nerovnomernosti.
Nová metóda vyvinutá výskumníkmi Texas A&M optimalizuje vlastnosti zliatiny a procesné parametre, aby sa vytvorili vynikajúce kovové diely vytlačené 3D. Tu je zobrazený kolorovaný elektrónový mikrosnímok práškovej zliatiny niklu použitej v štúdii. S láskavým dovolením Raiyan Seede.
Nová metóda vyvinutá výskumníkmi Texas A&M optimalizuje vlastnosti zliatiny a procesné parametre, aby sa vytvorili vynikajúce kovové diely vytlačené 3D. Tu je zobrazený kolorovaný elektrónový mikrosnímok práškovej zliatiny niklu použitej v štúdii. S láskavým dovolením Raiyan Seede.

Prášky zliatinových kovov používané na aditívnu výrobu môžu obsahovať zmes kovov, ako je nikel, hliník a horčík, v rôznych koncentráciách. Počas laserovej práškovej fúzie 3D tlače sa tieto prášky po zahriatí laserovým lúčom rýchlo ochladia. Rôzne kovy v prášku zliatiny majú rôzne chladiace vlastnosti a tuhnú rôznou rýchlosťou. Táto nekonzistentnosť môže spôsobiť mikroskopické chyby alebo mikrosegregáciu.

"Keď sa zliatinový prášok ochladí, jednotlivé kovy sa môžu vyzrážať," povedal výskumník Raiyan Seede. „Predstavte si, že nasypete soľ do vody. Keď je množstvo soli malé, okamžite sa rozpustí, ale keď nasypete viac soli, nadbytočné častice soli, ktoré sa nerozpustia, sa začnú zrážať ako kryštály. V podstate sa to deje v našich kovových zliatinách, keď po vytlačení rýchlo vychladnú.“ Seede povedal, že tento defekt sa javí ako malé vrecká obsahujúce mierne odlišnú koncentráciu kovových zložiek, než aké sa nachádzajú v iných oblastiach tlačenej časti.

Výskumníci skúmali mikroštruktúry tuhnutia štyroch binárnych zliatin na báze niklu. V experimentoch študovali fyzikálnu fázu pre každú zliatinu pri rôznych teplotách a pri zvyšujúcich sa koncentráciách iného kovu v zliatine na báze niklu. Pomocou podrobných fázových diagramov výskumníci určili chemické zloženie každej zliatiny, ktoré by spôsobilo najmenšiu mikrosegregáciu počas výroby aditív.

Ďalej výskumníci roztavili jednu stopu zliatinového kovového prášku pri rôznych nastaveniach lasera a určili parametre procesu fúzie laserového práškového lôžka, ktoré by poskytli časti bez pórovitosti.
Snímka skenovacieho elektrónového mikroskopu jedného laserového skenovaného prierezu zliatiny niklu a zinku. Tu tmavé fázy bohaté na nikel prekladajú ľahšie fázy s jednotnou mikroštruktúrou. Pór možno pozorovať aj v štruktúre taveniny. S láskavým dovolením Raiyan Seede.
Snímka skenovacieho elektrónového mikroskopu jedného laserového skenovaného prierezu zliatiny niklu a zinku. Tmavé fázy bohaté na nikel prekladajú svetlejšie fázy s jednotnou mikroštruktúrou. Pór možno pozorovať aj v štruktúre taveniny. S láskavým dovolením Raiyan Seede.

Informácie získané z fázových diagramov v kombinácii s výsledkami z jednostopových experimentov poskytli tímu komplexnú analýzu nastavení lasera a zloženia zliatin na báze niklu, ktoré by mohli poskytnúť vytlačenú časť bez pórovitosti bez mikrosegregácie.

Výskumníci ďalej trénovali modely strojového učenia na identifikáciu vzorov v jednostopových experimentálnych údajoch a fázových diagramoch, aby vyvinuli rovnicu pre mikrosegregáciu, ktorá by sa dala použiť s akoukoľvek zliatinou. Seede povedal, že rovnica je navrhnutá tak, aby predpovedala rozsah segregácie vzhľadom na rozsah tuhnutia zliatiny a vlastnosti materiálu a výkon a rýchlosť lasera.

"Hlboko sa ponoríme do jemného ladenia mikroštruktúry zliatin, aby sme mali väčšiu kontrolu nad vlastnosťami konečného vytlačeného objektu v oveľa jemnejšom meradle ako predtým," povedal Seede.

S rastúcim používaním zliatin v AM narastú aj výzvy na tlač dielov, ktoré spĺňajú alebo prekračujú výrobné štandardy kvality. Štúdia Texas A&M umožní výrobcom optimalizovať chémiu zliatin a parametre procesu tak, aby zliatiny mohli byť navrhnuté špeciálne pre aditívnu výrobu a výrobcovia mohli kontrolovať mikroštruktúry lokálne.

"Naša metodika uľahčuje úspešné použitie zliatin rôzneho zloženia na aditívnu výrobu bez obáv zo zavedenia defektov, dokonca aj v mikromeradle," povedal profesor Ibrahim Karaman. „Táto práca bude veľkým prínosom pre letecký, automobilový a obranný priemysel, ktorý neustále hľadá lepšie spôsoby výroby vlastných kovových dielov.“

Profesor Raymundo Arroyavé a profesor Alaa Elwany, ktorí na výskume spolupracovali so Seede a Karamanom, uviedli, že túto metodiku môžu priemyselné odvetvia ľahko prispôsobiť tak, aby vyrábali robustné diely bez defektov so zliatinou podľa výberu.