Hiaten in ons begrip van wat er tijdens het proces in metaal gebeurt, hebben de resultaten inconsistent gemaakt, maar met behulp van twee verschillende deeltjesversnellers hebben onderzoekers van het Amerikaanse National Institute of Standards en Technologie (NIST), KTH Royal Institute of Technology in Zweden en andere instellingen hebben in de interne structuur van staal gekeken terwijl het werd gesmolten en vervolgens gestold tijdens het 3D-printen.
De bevindingen, gepubliceerd in acta materialia, ontgrendel een computationele tool voor 3D-printprofessionals, waardoor ze beter in staat zijn om de kenmerken van geprinte onderdelen te voorspellen en te controleren, wat mogelijk de consistentie en haalbaarheid van de technologie voor grootschalige productie verbetert.
Een veelgebruikte aanpak voor het printen van metalen stukken is in wezen het lassen van metaalpoeders met lasers, laag voor laag, in de gewenste vorm.
Tijdens de eerste stappen van het printen met een metaallegering, waarbij het materiaal snel opwarmt en afkoelt, verpakken de atomen - die een paar verschillende elementen kunnen zijn - zich in geordende, kristallijne formaties.
De kristallen bepalen de eigenschappen, zoals taaiheid en corrosiebestendigheid, van het geprinte onderdeel. Er kunnen verschillende kristalstructuren ontstaan, elk met hun eigen voor- en nadelen.
"Kortom, als we de microstructuur tijdens de eerste stappen van het afdrukproces kunnen beheersen, kunnen we de gewenste kristallen verkrijgen en uiteindelijk de prestaties van additief vervaardigde onderdelen bepalen", zegt NIST-natuurkundige Fan Zhang, een co-auteur van het onderzoek.
Hoewel het printproces minder materiaal verspilt en kan worden gebruikt om meer gecompliceerde vormen te produceren dan traditionele productiemethoden, hebben onderzoekers moeite gehad om te begrijpen hoe ze metaal naar bepaalde soorten kristallen moesten sturen boven andere.
Dit gebrek aan kennis heeft geleid tot minder gewenste resultaten, zoals onderdelen met complexe vormen die voortijdig barsten dankzij hun kristalstructuur.
"Van de duizenden legeringen die gewoonlijk worden vervaardigd, kan er slechts een handvol worden gemaakt met behulp van additive manufacturing", zegt Zhang.
Een 3D-printer van het laser-poederbedfusietype, in actie. Laserpoeder-bedfusie voegt opeenvolgende lagen metaalpoeder toe en gebruikt vervolgens een laser om elke laag op zijn plaats te smelten op het onderdeel dat wordt gemaakt.
Een deel van de uitdaging voor wetenschappers was dat stolling tijdens het 3D-printen van metaal in een oogwenk plaatsvindt.
Om het hogesnelheidsfenomeen vast te leggen, gebruikten de auteurs van de nieuwe studie krachtige röntgenstralen gegenereerd door cyclische deeltjesversnellers, synchrotrons genaamd, bij de Advanced Photon Source van het Argonne National Laboratory en de Swiss Light Source van het Paul Scherrer Institute.
Het team probeerde te leren hoe de koelsnelheden van metaal, die kunnen worden gecontroleerd door laservermogen en bewegingsinstellingen, de kristalstructuur beïnvloeden. Vervolgens vergeleken de onderzoekers de gegevens met de voorspellingen van een veelgebruikt rekenmodel dat in de jaren '80 werd ontwikkeld en dat het stollen van legeringen beschrijft.
Hoewel het model wordt vertrouwd voor traditionele productieprocessen, was de jury niet overtuigd van de toepasbaarheid ervan in de unieke context van de snelle temperatuurschommelingen van 3D-printen.
"Synchrotron-experimenten zijn tijdrovend en duur, dus je kunt ze niet uitvoeren voor elke aandoening waarin je geïnteresseerd bent. Maar ze zijn erg handig voor het valideren van modellen die je vervolgens kunt gebruiken om de interessante omstandigheden te simuleren", zegt co-auteur Greta van het onderzoek. Lindwall, universitair hoofddocent materiaalkunde en engineering aan het KTH Royal Institute of Technology.
Binnen de synchrotrons hebben de auteurs additieve fabricagevoorwaarden opgesteld voor heetwerkgereedschapstaal - een soort metaal dat wordt gebruikt om, zoals de naam al doet vermoeden, gereedschappen te maken die bestand zijn tegen hoge temperaturen.
Terwijl lasers het metaal vloeibaar maakten en er verschillende kristallen tevoorschijn kwamen, onderzochten röntgenstralen de monsters met voldoende energie en snelheid om beelden van het vluchtige proces te produceren. De teamleden hadden twee afzonderlijke faciliteiten nodig om de koelsnelheden te ondersteunen die ze wilden testen, variërend van temperaturen van tienduizenden tot meer dan een miljoen Kelvin per seconde.
De gegevens die de onderzoekers verzamelden, toonden het duwen en trekken tussen twee soorten kristalstructuren, austeniet en delta-ferriet, waarbij de laatste wordt geassocieerd met scheuren in afgedrukte delen. Toen de koelsnelheid de 1.5 miljoen Kelvin (2.7 miljoen graden Fahrenheit) per seconde overschreed, begon austeniet zijn rivaal te domineren. Deze kritieke drempel kwam overeen met wat het model voorspelde.
“Het model en de experimentele data komen aardig overeen. Toen we de resultaten zagen, waren we erg enthousiast”, zei Zhang.
Het model is lange tijd een betrouwbaar hulpmiddel geweest voor materiaalontwerp in traditionele productie, en nu kan de ruimte voor 3D-printen dezelfde ondersteuning krijgen.
De resultaten geven aan dat het model wetenschappers en ingenieurs kan informeren over welke koelsnelheden moeten worden geselecteerd voor de vroege stollingsstappen van het printproces. Op die manier zou de optimale kristalstructuur binnen hun gewenste materiaal verschijnen, waardoor 3D-printen van metaal minder een rol van de dobbelsteen zou worden.
“Als we data hebben, kunnen we die gebruiken om de modellen te valideren. Zo versnel je de wijdverspreide acceptatie van additive manufacturing voor industrieel gebruik”, aldus Zhang.