Национальный институт стандартов и технологий (NIST) продемонстрировал метод 3D-печати металлом, который перемешивает расплавленный металл во время печати, направляя лазер по замкнутым эллиптическим траекториям вместо прямых линий. Это изменение техники не требует нового оборудования и может позволить уже используемым машинам смешивать сплавы, которые склонны к расслоению. Работа, опубликованная в журнале Additive Manufacturing, была проверена на Усовершенствованном источнике фотонов Аргоннской национальной лаборатории, где команда сплавила плотный высокоэнтропийный сплав под названием RHEA-19 с легким титановым сплавом и наблюдала, как они объединяются в новый сплав в режиме реального времени.
Техника модифицирует лазерное спекание порошкового слоя (laser powder bed fusion), при котором лазер оплавляет тонкие слои металлического порошка точка за точкой. При стандартной печати луч движется по прямым линиям, и каждый кратковременный расплавленный участок лишь слегка смешивает свои компоненты. Исследователь NIST Хо Йеунг вместо этого запрограммировал лазер на рисование петель по мере продвижения, перемешивая расплав, пока он оставался жидким. Существующее прошивочное ПО принтеров не могло создавать такие траектории инструмента, поэтому команда написала собственное управляющее программное обеспечение.
Поскольку метод изменяет только схему сканирования, NIST заявляет, что машины на производстве смогут использовать его после обновления программного обеспечения. «Коммерческое программное обеспечение для 3D-принтеров не может создавать такие шаблоны», — сказал Хо Йеунг, исследователь NIST, в объявлении агентства, добавив, что команде пришлось писать программное обеспечение с нуля.
Подтверждение того, что металлы действительно сплавились (а не разделились), требовало фиксации атомной структуры в момент застывания расплава, что происходит менее чем за секунду. Усовершенствованный источник фотонов генерирует 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 сопоставила эти данные с данными электронной микроскопии готового твердого образца. NIST считает эту in-situ дифракцию результатом сама по себе, поскольку отслеживание фазовых переходов с такой скоростью ранее не проводилось таким образом.
Металлы имеют разную плотность, температуру плавления и поверхностное натяжение, что заставляет их разделяться на слабые, пятнистые области по мере остывания отливки. Высокоэнтропийные сплавы, которые смешивают пять или более металлов примерно в равных долях, а не один основной металл с незначительными добавками, особенно склонны к этому, и именно поэтому их трудно отливать. Однако перемешивание во время печати позволяет обойти эту проблему.
Исследователи полагают, что тот же метод может позволить машине использовать элементарные металлические порошки 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 градиента состава по одной детали, так что лопатка турбины реактивного двигателя могла бы переходить от одного металла к другому без сварного шва, который может выйти из строя. Печать металлом намного сложнее, чем печать пластиком, поскольку сплавы плавятся при экстремальных температурах и проходят фазовые переходы при охлаждении.
Статья была впервые опубликована в Additive Manufacturing, том 118, 25 февраля. Отдельно NIST включил эллиптические схемы сканирования в число стратегий управления, которые он изучает для подавления дефектов и управления микроструктурой в аддитивном производстве.
Facebook*, Instagram* и WhatsApp* принадлежат компании Meta* Platforms Inc., деятельность которой признана экстремистской и запрещена на территории Российской Федерации.
Всегда имейте в виду, что редакции могут придерживаться предвзятых взглядов в освещении новостей.
Автор – Luke James
