Rompendo il dilemma della stampa 3D in metallo, Re

Rompendo il dilemma della stampa 3D in metallo, Re

image: I ricercatori hanno utilizzato la diffrazione dei raggi X ad alta velocità per identificare le strutture cristalline che si formano all’interno dell’acciaio mentre viene stampato in 3D. L’angolo al quale i raggi X escono dal minerale corrisponde ai tipi di strutture cristalline all’interno.
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Credito: H. König et al. via Creative Commons (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/), adattato da N. Hanacek/NIST

I ricercatori devono ancora ottenere la produzione additiva, o la stampa 3D, dei metalli fino alla scienza. Le lacune nella nostra comprensione di ciò che accade all’interno del metallo durante il processo hanno reso i risultati incoerenti. Ma una nuova svolta potrebbe dare un livello di maestria senza precedenti alla stampa 3D in metallo.

Utilizzando due diversi acceleratori di particelle, i ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST), del KTH Royal Institute of Technology svedese e di altre istituzioni hanno dato un’occhiata alla struttura interna dell’acciaio mentre veniva fuso e poi solidificato durante la stampa 3D. Risultati pubblicati in atti materialiha sbloccato uno strumento computazionale per i professionisti della stampa 3D, fornendo loro una maggiore capacità di prevedere e controllare le proprietà delle parti stampate, migliorando potenzialmente la coerenza tecnologica e la fattibilità della produzione su larga scala.

Un metodo comune per la stampa di parti metalliche prevede essenzialmente la saldatura laser di pool di metallo in polvere, strato dopo strato, nella forma desiderata. Durante le prime fasi della stampa con una lega metallica, mentre il materiale si riscalda e si raffredda rapidamente, i suoi atomi – che potrebbero essere pochi elementi diversi – si accumulano in formazioni cristalline ordinate. I cristalli determinano le proprietà, come tenacità e resistenza all’usura, della parte stampata. Possono apparire diverse strutture cristalline, ognuna con i suoi vantaggi e svantaggi.

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“Essenzialmente, se riusciamo a controllare la microstruttura durante le fasi iniziali del processo di stampa, possiamo ottenere i cristalli desiderati e, alla fine, determinare ulteriormente le prestazioni delle parti fabbricate”, ha detto il fisico del NIST Fan Zhang, coautore dello studio. studio.

Mentre il processo di stampa spreca meno materiale e può essere utilizzato per produrre forme più complesse rispetto ai metodi di produzione tradizionali, i ricercatori hanno faticato a capire come i minerali siano orientati verso determinati tipi di cristalli rispetto ad altri.

Questa mancanza di conoscenza ha portato a risultati poco desiderabili, come parti con forme complesse che si rompono prematuramente grazie alla loro struttura cristallina.

“Delle migliaia di leghe comunemente prodotte, solo una manciata può essere realizzata utilizzando la produzione additiva”, ha affermato Zhang.

Parte della sfida per gli scienziati è che la solidificazione durante la stampa 3D in metallo avviene in un batter d’occhio.

Per catturare il fenomeno ad alta velocità, gli autori del nuovo studio hanno utilizzato potenti raggi X generati da acceleratori di particelle rotanti, chiamati sincrotroni, presso l’Argonne National Laboratory. Sorgente di fotoni avanzata e l’Istituto Paul Scherrer Sorgente luminosa svizzera.

Il team ha cercato di scoprire in che modo le velocità di raffreddamento del metallo, che possono essere controllate dalla potenza del laser e dalle impostazioni di movimento, influenzano la struttura del cristallo. I ricercatori confrontano quindi i dati con le previsioni di un modello computazionale ampiamente utilizzato sviluppato negli anni ’80 che descrive l’indurimento della lega.

Sebbene il modello sia affidabile per i processi di produzione convenzionali, la giuria si è espressa sulla sua applicabilità nel contesto unico dei rapidi sbalzi di temperatura della stampa 3D.

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“Gli esperimenti di sincrotrone richiedono tempo e sono costosi, quindi non puoi eseguirli per ogni situazione che ti interessa. Ma sono molto utili per convalidare modelli che puoi quindi utilizzare per simulare condizioni interessanti”, ha affermato Greta, coautrice. dello studio. Lindwall, professore associato di scienza e ingegneria dei materiali presso il KTH Royal Institute of Technology.

All’interno dei sincrotroni, gli autori hanno stabilito i termini per la produzione di additivi per l’acciaio per utensili a caldo, un tipo di metallo utilizzato per realizzare, come suggerisce il nome, strumenti in grado di resistere alle alte temperature.

Quando i laser hanno liquefatto il metallo ed esposto diversi cristalli, i raggi X hanno scansionato i campioni con energia e velocità sufficienti per produrre immagini del processo transitorio. I membri del team avevano bisogno di due strutture separate per supportare le velocità di raffreddamento che volevano testare, che andavano da temperature di decine di migliaia a più di un milione di kelvin al secondo.

I dati raccolti dai ricercatori hanno descritto il tira e molla tra due tipi di strutture cristalline, l’austenite e la delta ferrite, quest’ultima correlata alla fessurazione nelle parti stampate. Con velocità di raffreddamento superiori a 1,5 milioni di K (2,7 milioni di gradi Fahrenheit) al secondo, l’austenite stava iniziando a superare il suo concorrente. Questa soglia critica è in linea con quanto previsto dal modello.

“Il modello e i dati sperimentali concordavano bene. Quando abbiamo visto i risultati, eravamo davvero entusiasti”, ha detto Zhang.

La prototipazione è stata a lungo uno strumento affidabile per la progettazione dei materiali nella produzione tradizionale e ora lo stesso supporto può essere fornito per lo spazio di stampa 3D.

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I risultati indicano che il modello può informare scienziati e ingegneri delle velocità di raffreddamento da determinare per le prime fasi di solidificazione del processo di stampa. In questo modo la struttura cristallina ottimale emergerà all’interno del materiale desiderato, rendendo la stampa 3D in metallo meno un tiro di dadi.

“Se disponiamo di dati, possiamo utilizzarli per convalidare i modelli. In questo modo si accelera l’adozione diffusa della produzione additiva per uso industriale”.


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