Исследователи еще не превратили аддитивное производство или 3D-печать металлов в науку. Пробелы в нашем понимании того, что происходит внутри металла во время процесса, привели к противоречивым результатам. Но новый прорыв может обеспечить беспрецедентный уровень мастерства в 3D-печати металлом.

Используя два разных ускорителя частиц, исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST), Королевского технологического института KTH в Швеции и других учреждений изучили внутреннюю структуру стали, когда она плавилась, а затем затвердевала во время 3D-печати. Результаты, опубликованные в  Acta Materiali ,  открывают вычислительный инструмент для профессионалов в области 3D-печати, предлагая им большую возможность прогнозировать и контролировать характеристики печатных деталей, потенциально улучшая согласованность технологии и ее осуществимость для крупномасштабного производства.  

Обычный подход к печати металлических деталей включает, по существу, сварку ванн из порошкового металла с помощью лазера, слой за слоем, для придания желаемой формы. На первых этапах печати металлическим сплавом, когда материал быстро нагревается и остывает, его атомы, которые могут представлять собой небольшое количество различных элементов, упаковываются в упорядоченные кристаллические образования. Кристаллы определяют такие свойства напечатанной детали, как прочность и коррозионная стойкость. Могут возникать различные кристаллические структуры, каждая со своими плюсами и минусами.

«По сути, если мы сможем контролировать микроструктуру на начальных этапах процесса печати, тогда мы сможем получить желаемые кристаллы и, в конечном итоге, определить характеристики деталей, изготовленных аддитивным способом», — сказал физик NIST Фань Чжан, соавтор исследования.

Хотя процесс печати требует меньше материала и может использоваться для создания более сложных форм, чем традиционные методы производства, исследователи изо всех сил пытались понять, как направить металл на получение определенных типов кристаллов, а не на другие. 

Этот недостаток знаний привел к нежелательным результатам, например, к преждевременному растрескиванию деталей сложной формы из-за их кристаллической структуры. 

«Среди тысяч сплавов, которые обычно производятся, лишь немногие могут быть изготовлены с использованием аддитивного производства», — сказал Чжан.

Часть проблемы для ученых заключалась в том, что затвердевание металла при 3D-печати происходит в мгновение ока. 

Чтобы запечатлеть явление высокой скорости, авторы нового исследования использовали мощные рентгеновские лучи, генерируемые циклическими ускорителями частиц, называемыми синхротронами, в передовом источнике фотонов Аргоннской национальной лаборатории  и швейцарском источнике света  Института Пола Шеррера  . 

Команда стремилась узнать, как скорость охлаждения металла, которой можно управлять с помощью мощности лазера и настроек движения, влияет на кристаллическую структуру. Затем исследователи сравнили данные с предсказаниями широко используемой вычислительной модели, разработанной в 80-х годах и описывающей затвердевание сплавов. 

Несмотря на то, что этой модели доверяют традиционные производственные процессы, ее применимость в уникальном контексте быстрых температурных изменений 3D-печати остается неоднозначной. 

«Эксперименты по синхротрону отнимают много времени и стоят дорого, поэтому вы не можете проводить их для каждого интересующего вас условия. Но они очень полезны для проверки моделей, которые затем можно использовать для моделирования интересных условий», — сказала соавтор исследования Грета. Линдволл, доцент кафедры материаловедения и инженерии Королевского технологического института KTH.

В рамках синхротронов авторы создали условия аддитивного производства для горячей инструментальной стали — вида металла, используемого для изготовления, как следует из названия, инструментов, способных выдерживать высокие температуры. 

Когда лазеры разжижали металл и появлялись различные кристаллы, рентгеновские лучи исследовали образцы с достаточной энергией и скоростью, чтобы получить изображения мимолетного процесса. Членам команды потребовались две отдельные установки для поддержания скорости охлаждения, которую они хотели протестировать, которая варьировалась от температур от десятков тысяч до более чем миллиона Кельвинов в секунду. 

Данные, собранные исследователями, отражают взаимодействие двух типов кристаллических структур: аустенита и дельта-феррита, причем последний связан с растрескиванием печатных деталей. Когда скорость охлаждения превысила 1,5 миллиона кельвинов (2,7 миллиона градусов по Фаренгейту) в секунду, аустенит начал доминировать над своим конкурентом. Этот критический порог соответствовал предсказаниям модели. 

«Модель и экспериментальные данные хорошо согласуются. Когда мы увидели результаты, мы были очень взволнованы», — сказал Чжан. 

Эта модель уже давно является надежным инструментом для проектирования материалов в традиционном производстве, и теперь такая же поддержка может быть предоставлена ​​и сфере 3D-печати. 

Результаты показывают, что модель может информировать ученых и инженеров о том, какую скорость охлаждения выбрать на ранних этапах процесса печати. Таким образом, внутри желаемого материала появится оптимальная кристаллическая структура, что сделает 3D-печать металлом менее сложной задачей. 

«Если у нас есть данные, мы можем использовать их для проверки моделей. Именно так вы ускорите широкое внедрение аддитивного производства в промышленности», — сказал Чжан.