Các nhà nghiên cứu đã điều tra một cách có hệ thống ảnh hưởng của thành phần hợp kim đối với khả năng in và sự đông đặc của các cấu trúc vi mô, để hiểu rõ hơn về cách thành phần hợp kim, các biến số của quá trình và nhiệt động lực học ảnh hưởng đến các bộ phận được chế tạo thêm. Thông qua các thí nghiệm in 3D, họ đã xác định các chất hóa học của hợp kim và các thông số quy trình cần thiết để tối ưu hóa các đặc tính của hợp kim và in các bộ phận cao cấp, giống hệt nhau ở kích thước siêu nhỏ. Sử dụng máy học, họ đã tạo ra một công thức có thể được sử dụng với bất kỳ loại hợp kim nào để giúp ngăn ngừa sự không đồng nhất.
Một phương pháp mới được phát triển bởi các nhà nghiên cứu Texas A&M tối ưu hóa các đặc tính hợp kim và các thông số quá trình để tạo ra các bộ phận kim loại in 3D cao cấp. Dưới đây là hình ảnh hiển vi điện tử được tô màu của hợp kim bột niken được sử dụng trong nghiên cứu. Được phép của Raiyan Seede.
Một phương pháp mới được phát triển bởi các nhà nghiên cứu Texas A&M tối ưu hóa các đặc tính hợp kim và các thông số quá trình để tạo ra các bộ phận kim loại in 3D cao cấp. Dưới đây là hình ảnh hiển vi điện tử được tô màu của hợp kim bột niken được sử dụng trong nghiên cứu. Được phép của Raiyan Seede.

Bột kim loại hợp kim được sử dụng để sản xuất phụ gia có thể chứa hỗn hợp kim loại, chẳng hạn như niken, nhôm và magiê, ở các nồng độ khác nhau. Trong quá trình in 3D kết hợp bột bằng laser, những bột này nguội nhanh chóng sau khi chúng được làm nóng bằng chùm tia laser. Các kim loại khác nhau trong bột hợp kim có các đặc tính làm nguội khác nhau và đông đặc ở các tỷ lệ khác nhau. Sự không nhất quán này có thể tạo ra các sai sót cực nhỏ, hoặc sự phân tách vi mô.

Nhà nghiên cứu Raiyan Seede cho biết: “Khi bột hợp kim nguội đi, các kim loại riêng lẻ có thể kết tủa ra ngoài. “Hãy tưởng tượng đổ muối vào nước. Nó sẽ hòa tan ngay lập tức khi lượng muối nhỏ, nhưng khi bạn đổ nhiều muối hơn, các hạt muối dư thừa không tan bắt đầu kết tủa dưới dạng tinh thể. Về bản chất, đó là những gì đang xảy ra trong các hợp kim kim loại của chúng tôi khi chúng nguội đi nhanh chóng sau khi in ”. Seede cho biết khiếm khuyết này xuất hiện dưới dạng các túi nhỏ chứa nồng độ thành phần kim loại hơi khác so với những gì được tìm thấy trong các khu vực khác của bộ phận in.

Các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu cấu trúc vi mô đông đặc của bốn hợp kim nhị phân dựa trên niken. Trong các thí nghiệm, họ nghiên cứu pha vật lý của từng hợp kim ở các nhiệt độ khác nhau và ở nồng độ tăng dần của kim loại kia trong hợp kim dựa trên niken. Sử dụng sơ đồ pha chi tiết, các nhà nghiên cứu xác định thành phần hóa học của mỗi hợp kim sẽ gây ra sự phân tách vi mô ít nhất trong quá trình sản xuất phụ gia.

Tiếp theo, các nhà nghiên cứu nấu chảy một vệt bột kim loại hợp kim ở các cài đặt laser khác nhau và xác định các thông số của quá trình phản ứng tổng hợp lớp bột laser sẽ cung cấp các bộ phận không có độ xốp.
Hình ảnh kính hiển vi điện tử quét của một mặt cắt ngang quét laze đơn của hợp kim niken và kẽm. Ở đây, các pha tối, giàu niken xen kẽ các pha nhẹ hơn với cấu trúc vi mô đồng nhất. Một lỗ rỗng cũng có thể được quan sát thấy trong cấu trúc bể tan chảy. Được phép của Raiyan Seede.
Hình ảnh kính hiển vi điện tử quét của một mặt cắt ngang quét laze đơn của hợp kim niken và kẽm. Các pha tối, giàu niken xen kẽ các pha nhẹ hơn với cấu trúc vi mô đồng nhất. Một lỗ rỗng cũng có thể được quan sát thấy trong cấu trúc bể tan chảy. Được phép của Raiyan Seede.

Thông tin thu được từ biểu đồ pha, kết hợp với kết quả từ các thí nghiệm đơn đường, cung cấp cho nhóm phân tích toàn diện về cài đặt laser và các chế phẩm hợp kim dựa trên niken có thể tạo ra phần in không có độ xốp mà không có sự phân tách vi mô.

Tiếp theo, các nhà nghiên cứu đã đào tạo các mô hình học máy để xác định các mẫu trong dữ liệu thử nghiệm theo dõi đơn và biểu đồ pha, để phát triển một phương trình phân tách vi mô có thể được sử dụng với bất kỳ hợp kim nào. Seede cho biết phương trình này được thiết kế để dự đoán mức độ phân tách dựa trên phạm vi hóa rắn của hợp kim và tính chất vật liệu cũng như công suất và tốc độ của laser.

Seede nói: “Chúng tôi đi sâu vào tinh chỉnh cấu trúc vi mô của hợp kim để có nhiều quyền kiểm soát hơn đối với các thuộc tính của vật thể in cuối cùng ở quy mô tốt hơn nhiều so với trước đây.

Khi việc sử dụng các hợp kim trong AM tăng lên, các thách thức đối với các bộ phận in đáp ứng hoặc vượt quá tiêu chuẩn chất lượng sản xuất cũng sẽ tăng lên. Nghiên cứu của Texas A&M sẽ cho phép các nhà sản xuất tối ưu hóa các thông số quá trình và hóa học hợp kim để các hợp kim có thể được thiết kế đặc biệt cho sản xuất phụ gia và các nhà sản xuất có thể kiểm soát các vi cấu trúc tại địa phương.

Giáo sư Ibrahim Karaman cho biết: “Phương pháp luận của chúng tôi giúp giảm bớt việc sử dụng thành công các hợp kim của các thành phần khác nhau để sản xuất phụ gia mà không cần quan tâm đến việc tạo ra các khuyết tật, ngay cả ở quy mô nhỏ,” giáo sư Ibrahim Karaman nói. “Công việc này sẽ mang lại lợi ích to lớn cho các ngành công nghiệp hàng không vũ trụ, ô tô và quốc phòng đang không ngừng tìm kiếm những cách tốt hơn để chế tạo các bộ phận kim loại tùy chỉnh”.

Giáo sư Raymundo Arroyavé và giáo sư Alaa Elwany, người đã hợp tác với Seede và Karaman trong nghiên cứu, nói rằng phương pháp luận này có thể dễ dàng được các ngành công nghiệp điều chỉnh để chế tạo các bộ phận chắc chắn, không có khuyết tật bằng hợp kim mà họ lựa chọn.