Süreç sırasında metalin içinde ne olduğuna dair anlayışımızdaki boşluklar sonuçları tutarsız hale getirdi ancak iki farklı parçacık hızlandırıcı tesisi kullanan ABD Ulusal Standartlar Enstitüsü'ndeki araştırmacılar ve Teknoloji (NIST), İsveç'teki KTH Kraliyet Teknoloji Enstitüsü ve diğer kurumlar, 3D baskı sırasında eritilen ve daha sonra katılaşan çeliğin iç yapısını inceledi.
yayınlanan bulgular, Acta Materialia, 3D baskı profesyonellerine yönelik bir hesaplama aracının kilidini açarak, onlara basılı parçaların özelliklerini tahmin etme ve kontrol etme konusunda daha fazla yetenek sunarak, teknolojinin büyük ölçekli üretim için tutarlılığını ve fizibilitesini potansiyel olarak artırıyor.
Metal parçaları basmak için yaygın bir yaklaşım, esas olarak toz metal havuzlarının lazerlerle katman katman istenen şekle kaynaklanmasını içerir.
Malzemenin hızlı bir şekilde ısınıp soğuduğu metal alaşımla baskının ilk adımları sırasında, farklı elementlerin dağılmış olabileceği atomları düzenli, kristalimsi oluşumlar halinde paketlenir.
Kristaller, basılan parçanın tokluk ve korozyon direnci gibi özelliklerini belirler. Her birinin kendine göre artıları ve eksileri olan farklı kristal yapılar ortaya çıkabilir.
Çalışmanın ortak yazarı NIST fizikçisi Fan Zhang, "Temel olarak, eğer baskı sürecinin ilk adımları sırasında mikro yapıyı kontrol edebilirsek, o zaman istenen kristalleri elde edebilir ve sonuçta katmanlı olarak üretilen parçaların performansını belirleyebiliriz" dedi.
Baskı işlemi daha az malzeme israfına ve geleneksel üretim yöntemlerine göre daha karmaşık şekiller üretmek için kullanılabilse de, araştırmacılar metali diğer kristal türlerine göre belirli türdeki kristallere nasıl yönlendireceklerini kavramakta zorlandılar.
Bu bilgi eksikliği, karmaşık şekilli parçaların kristal yapıları nedeniyle zamanından önce çatlaması gibi istenen sonuçların daha azına yol açmıştır.
Zhang, "Yaygın olarak üretilen binlerce alaşım arasında, katmanlı üretim kullanılarak yalnızca bir avuç dolusu üretilebiliyor" dedi.
Lazer tozu yataklı füzyon tipinde bir 3D yazıcı iş başında. Lazer tozu yatağı füzyonu, art arda metal tozu katmanları ekler ve ardından, oluşturulan parçadaki her katmanı eritmek için bir lazer kullanır.
Bilim adamlarının karşılaştığı zorlukların bir kısmı, metal 3D baskı sırasında katılaşmanın göz açıp kapayıncaya kadar gerçekleşmesiydi.
Yeni çalışmanın yazarları, yüksek hız olgusunu yakalamak için Argonne Ulusal Laboratuvarı'nın Gelişmiş Foton Kaynağı ve Paul Scherrer Enstitüsü'nün İsviçre Işık Kaynağı'nda sinkrotron adı verilen döngüsel parçacık hızlandırıcıları tarafından üretilen güçlü X-ışınlarını kullandılar.
Ekip, lazer gücü ve hareket ayarlarıyla kontrol edilebilen metalin soğuma hızlarının kristal yapıyı nasıl etkilediğini öğrenmeye çalıştı. Daha sonra araştırmacılar, verileri alaşımların katılaşmasını açıklayan, 80'lerde geliştirilen yaygın olarak kullanılan bir hesaplama modelinin tahminleriyle karşılaştıracaklardı.
Model geleneksel üretim süreçleri için güvenilir olsa da jüri, 3D baskının hızlı sıcaklık değişimleri gibi benzersiz bağlamda uygulanabilirliği konusunda kararsız kaldı.
Çalışmanın ortak yazarlarından Greta, "Senkrotron deneyleri zaman alıcı ve pahalıdır, bu nedenle onları ilgilendiğiniz her koşul için çalıştıramazsınız. Ancak daha sonra ilginç koşulları simüle etmek için kullanabileceğiniz modelleri doğrulamak için çok faydalıdırlar" dedi. Lindwall, KTH Kraliyet Teknoloji Enstitüsü'nde malzeme bilimi ve mühendisliği doçenti.
Yazarlar, senkrotronların içinde, sıcak iş takım çeliği (adından da anlaşılacağı gibi, yüksek sıcaklıklara dayanabilen takımların yapımında kullanılan bir tür metal) için katmanlı üretim koşulları oluşturdular.
Lazerler metali sıvılaştırdıkça ve farklı kristaller ortaya çıktıkça, X-ışını ışınları, geçici sürecin görüntülerini oluşturmak için numuneleri yeterli enerji ve hızla inceledi. Ekip üyeleri, test etmek istedikleri, saniyede onbinlerce sıcaklıktan bir milyon kelvin'in üzerine kadar değişen soğutma oranlarını desteklemek için iki ayrı tesise ihtiyaç duydu.
Araştırmacıların topladığı veriler, iki tür kristal yapı (östenit ve delta ferrit) arasındaki itme ve çekmeyi tasvir ediyordu; ikincisi basılı parçalardaki çatlamayla ilişkilendiriliyordu. Soğutma hızları saniyede 1.5 milyon kelvin'i (2.7 milyon Fahrenheit) aştığında, ostenit rakibine üstünlük sağlamaya başladı. Bu kritik eşik, modelin öngördüğüyle örtüşüyordu.
"Model ve deneysel veriler gayet uyumlu. Sonuçları gördüğümüzde gerçekten heyecanlandık” dedi Zhang.
Model, geleneksel imalatta malzeme tasarımı için uzun süredir güvenilir bir araç olmuştur ve artık 3D baskı alanı da aynı desteği karşılayabilir.
Sonuçlar, modelin bilim adamlarına ve mühendislere, baskı sürecinin erken katılaşma adımları için hangi soğutma hızlarının seçileceği konusunda bilgi verebileceğini gösteriyor. Bu şekilde, istenen malzeme içinde en uygun kristal yapı ortaya çıkacak ve metal 3D baskı daha az zar atılacak hale gelecek.
"Verilerimiz varsa bunu modelleri doğrulamak için kullanabiliriz. Endüstriyel kullanıma yönelik katmanlı üretimin yaygın biçimde benimsenmesini bu şekilde hızlandırırsınız,” dedi Zhang.