Jurang dalam pemahaman kami tentang perkara yang berlaku dalam logam semasa proses telah menjadikan keputusan tidak konsisten tetapi, menggunakan dua kemudahan pemecut zarah yang berbeza, penyelidik di Institut Piawaian Kebangsaan AS dan Teknologi (NIST), Institut Teknologi Diraja KTH di Sweden dan institusi lain telah meninjau struktur dalaman keluli semasa ia dicairkan dan kemudian menjadi pejal semasa pencetakan 3D.
Hasil kajian yang diterbitkan dalam Acta Materialia, membuka kunci alat pengiraan untuk profesional pencetakan 3D, menawarkan mereka keupayaan yang lebih besar untuk meramal dan mengawal ciri bahagian bercetak, yang berpotensi meningkatkan ketekalan dan kebolehlaksanaan teknologi untuk pembuatan berskala besar.
Pendekatan biasa untuk mencetak kepingan logam melibatkan pada asasnya mengimpal kolam serbuk logam dengan laser, lapisan demi lapisan, ke dalam bentuk yang diingini.
Semasa langkah pertama pencetakan dengan aloi logam, di mana bahan itu cepat panas dan menyejuk, atom-atomnya — yang boleh menjadi sekelumit unsur yang berbeza — dikemas ke dalam pembentukan kristal yang teratur.
Kristal menentukan sifat, seperti keliatan dan rintangan kakisan, bahagian yang dicetak. Struktur kristal yang berbeza boleh muncul, masing-masing dengan kebaikan dan keburukan mereka sendiri.
"Pada asasnya, jika kita boleh mengawal struktur mikro semasa langkah awal proses pencetakan, maka kita boleh mendapatkan kristal yang diingini dan, akhirnya, menentukan prestasi bahagian yang dihasilkan secara tambahan," kata ahli fizik NIST Fan Zhang, pengarang bersama kajian.
Walaupun proses pencetakan membazirkan lebih sedikit bahan dan boleh digunakan untuk menghasilkan bentuk yang lebih rumit daripada kaedah pembuatan tradisional, para penyelidik telah bergelut untuk memahami cara mengarahkan logam ke arah jenis kristal tertentu berbanding yang lain.
Kekurangan pengetahuan ini telah membawa kepada hasil yang kurang diingini, seperti bahagian dengan bentuk kompleks retak sebelum waktunya berkat struktur kristalnya.
"Antara beribu-ribu aloi yang biasa dihasilkan, hanya segelintir sahaja boleh dibuat menggunakan pembuatan bahan tambahan," kata Zhang.
Pencetak 3D jenis gabungan serbuk-katil laser, sedang beraksi. Gabungan serbuk-serbuk laser menambah lapisan serbuk logam berturut-turut dan kemudian menggunakan laser untuk mencairkan setiap lapisan ke tempatnya pada bahagian yang dibuat.
Sebahagian daripada cabaran untuk saintis ialah pemejalan semasa cetakan 3D logam berlaku dalam sekelip mata.
Untuk menangkap fenomena berkelajuan tinggi, pengarang kajian baharu menggunakan sinar-X berkuasa yang dihasilkan oleh pemecut zarah kitaran, dipanggil synchrotrons, di Sumber Foton Lanjutan Argonne National Laboratory dan Sumber Cahaya Swiss Institut Paul Scherrer.
Pasukan ini berusaha untuk mempelajari bagaimana kadar penyejukan logam, yang boleh dikawal oleh kuasa laser dan tetapan pergerakan, mempengaruhi struktur kristal. Kemudian para penyelidik akan membandingkan data dengan ramalan model pengiraan yang digunakan secara meluas yang dibangunkan pada tahun 80-an yang menerangkan pemejalan aloi.
Walaupun model itu dipercayai untuk proses pembuatan tradisional, juri telah mengetahui kebolehgunaannya dalam konteks unik peralihan suhu pantas percetakan 3D.
"Eksperimen synchrotron memakan masa dan mahal, jadi anda tidak boleh menjalankannya untuk setiap keadaan yang anda minati. Tetapi ia sangat berguna untuk mengesahkan model yang kemudian anda boleh gunakan untuk mensimulasikan keadaan yang menarik," kata pengarang bersama kajian Greta Lindwall, seorang profesor bersekutu sains bahan dan kejuruteraan di Institut Teknologi Diraja KTH.
Di dalam synchrotrons, pengarang menetapkan syarat pembuatan aditif untuk keluli alat kerja panas - sejenis logam yang digunakan untuk membuat, seperti namanya, alat yang boleh menahan suhu tinggi.
Apabila laser mencairkan logam dan kristal berbeza muncul, sinar X-ray menyiasat sampel dengan tenaga dan kelajuan yang mencukupi untuk menghasilkan imej proses sekejap. Ahli pasukan memerlukan dua kemudahan berasingan untuk menyokong kadar penyejukan yang ingin mereka uji, yang berjulat daripada suhu puluhan ribu hingga lebih daripada satu juta kelvin sesaat.
Data yang dikumpul oleh penyelidik menggambarkan tolakan dan tarikan antara dua jenis struktur kristal, austenit dan delta ferit, yang kedua dikaitkan dengan keretakan pada bahagian bercetak. Apabila kadar penyejukan melepasi 1.5 juta kelvin (2.7 juta darjah Fahrenheit) sesaat, austenit mula mendominasi saingannya. Ambang kritikal ini sejajar dengan apa yang diramalkan oleh model.
"Model dan data percubaan adalah baik dalam persetujuan. Apabila kami melihat hasilnya, kami sangat teruja,” kata Zhang.
Model ini telah lama menjadi alat yang boleh dipercayai untuk reka bentuk bahan dalam pembuatan tradisional, dan kini ruang percetakan 3D mungkin diberikan sokongan yang sama.
Keputusan menunjukkan bahawa model itu boleh memaklumkan saintis dan jurutera tentang kadar penyejukan yang perlu dipilih untuk langkah pemejalan awal proses pencetakan. Dengan cara itu struktur kristal yang optimum akan muncul dalam bahan yang diingini, menjadikan cetakan 3D logam kurang daripada segulung dadu.
"Jika kami mempunyai data, kami boleh menggunakannya untuk mengesahkan model. Begitulah cara anda mempercepatkan penggunaan meluas pembuatan bahan tambahan untuk kegunaan industri,” kata Zhang.