NIST научил 3D-принтеры смешивать сплавы прямо во время печати, изменив траекторию лазера

Национальный институт стандартов и технологий США (NIST) продемонстрировал новый метод металлической 3D-печати, который перемешивает расплавленный металл во время печати, направляя лазер по петлеобразным эллиптическим траекториям вместо прямых линий. Это изменение технологии не требует нового оборудования и может позволить уже существующим машинам смешивать сплавы, которые обычно плохо поддаются смешиванию. Работа, опубликованная в журнале Additive Manufacturing, была подтверждена на усовершенствованном источнике фотонов Аргоннской национальной лаборатории, где команда объединила плотный высокоэнтропийный сплав под названием RHEA-19 с легким титановым сплавом и в реальном времени наблюдала, как они образуют новый сплав.

Метод модифицирует технологию лазерного сплавления в порошковой постели, при которой лазер послойно расплавляет тонкие слои металлического порошка. При стандартной печати луч движется по прямым линиям, и каждый кратковременный расплав лишь незначительно перемешивает свои компоненты. Исследователь NIST Хо Йенг вместо этого запрограммировал лазер на вычерчивание петель по мере продвижения, перемешивая расплав, пока он остается жидким. Существующее встроенное программное обеспечение принтеров не могло создавать такие траектории, поэтому команда написала собственное управляющее ПО.

Поскольку метод меняет только схему сканирования, в NIST заявляют, что машины на заводских цехах смогут использовать его после обновления программного обеспечения. «Коммерческое ПО для 3D-принтеров не может создавать такие схемы», — сказал Хо Йенг, исследователь NIST, в объявлении агентства, добавив, что команде пришлось писать программу с нуля.

Исследователям нужно было найти способ увидеть, что происходит внутри металла во время его остывания. Для этого NIST разработал метод с использованием рентгеновской дифракции, при котором рентгеновские лучи пропускаются через металл, отражаясь от некоторых атомов. Затем полученные рентгенограммы анализируются, чтобы определить, как атомы расположены. / Изображение: F. Zhang/NIST

Подтверждение того, что металлы действительно образовали сплав (а не разделились), означало необходимость зафиксировать атомную структуру в момент застывания расплава, что происходит менее чем за секунду. Усовершенствованный источник фотонов создает рентгеновские лучи примерно в 500 миллиардов раз ярче, чем стоматологический сканер, что достаточно для считывания дифракционных картин с плотного расплава по мере его затвердевания. Команда также использовала электронную микроскопию для анализа готового твердого тела. В NIST считают эту дифракцию in-situ самостоятельным результатом, так как отслеживание фазовых изменений на такой скорости ранее не проводилось подобным образом.

Различные металлы имеют разную плотность, температуру плавления и поверхностное натяжение, что приводит к их разделению на слабые, неоднородные участки при остывании отливки. Высокоэнтропийные сплавы, которые смешивают пять или более металлов в примерно равных долях, а не один основной металл с微量ными добавками, особенно склонны к этому, и именно поэтому их трудно отливать. Перемешивание во время печати, однако, обходит эту проблему.

Исследователи полагают, что тот же метод может подавать в машину порошки элементарных металлов и смешивать их в готовые сплавы на лету, вместо того чтобы хранить отдельный предварительно легированный порошок для каждого состава. NIST также указывает на возможность непрерывного изменения состава в пределах одной детали, так что лопатка турбины реактивного двигателя может плавно переходить от одного металла к другому без сварного шва, который может выйти из строя. Металлическая печать гораздо более требовательна, чем печать пластиком, поскольку сплавы плавятся при экстремальных температурах и проходят через фазовые переходы при охлаждении.

Статья была впервые опубликована в Additive Manufacturing том 118, 25 февраля. Кроме того, NIST включил эллиптические схемы сканирования в список стратегий управления, которые он изучает для подавления дефектов и управления микроструктурой при аддитивном производстве.

Источник: Tomshardware.com