Au cours des dernières décennies, L'impression 3D en métal a été le fer de lance des efforts visant à créer des pièces personnalisées de formes complexes et de haute fonctionnalité. Mais comme les fabricants d'additifs ont inclus plus d'alliages pour leurs besoins d'impression 3D, il en va de même pour les défis de la création d'uniformes, pièces sans défaut.

Une nouvelle étude menée par des chercheurs de la Texas A&M University a encore affiné le processus de création de pièces métalliques de qualité supérieure à l'aide de techniques d'impression 3D par fusion laser sur lit de poudre. En utilisant une combinaison d'expériences d'apprentissage automatique et d'impression 3D à voie unique, ils ont identifié les chimies d'alliage et les paramètres de processus favorables, comme la vitesse et la puissance du laser, nécessaires pour imprimer des pièces avec des propriétés uniformes à l'échelle microscopique.

"Notre défi initial était de nous assurer qu'il n'y a pas de pores dans les pièces imprimées, car c'est le tueur évident pour créer des objets aux propriétés mécaniques améliorées, " dit Raiyan Seede, doctorant au Département de science et génie des matériaux. « Mais après avoir relevé ce défi dans nos travaux précédents, dans cette étude, nous plongeons en profondeur dans le réglage fin de la microstructure des alliages afin qu'il y ait plus de contrôle sur les propriétés de l'objet imprimé final à une échelle beaucoup plus fine qu'auparavant."

Les chercheurs ont publié leurs découvertes dans la revue La fabrication additive .

Comme d'autres méthodes d'impression 3D, La fusion laser sur lit de poudre permet également de construire des pièces métalliques en 3D couche par couche. Le processus commence par rouler une fine couche de poudre métallique sur une plaque de base, puis faire fondre la poudre avec un faisceau laser le long de pistes qui tracent la conception en coupe de la pièce prévue. Puis, une autre couche de poudre est appliquée et le processus est répété, construire progressivement la partie finale.

Les poudres métalliques d'alliage utilisées pour la fabrication additive peuvent être très diverses, contenant un mélange de métaux, comme le nickel, l'aluminium et le magnésium à des concentrations différentes. Lors de l'impression, ces poudres refroidissent rapidement après avoir été chauffées par un faisceau laser. Étant donné que les métaux individuels dans la poudre d'alliage ont des propriétés de refroidissement très différentes et se solidifient par conséquent à des vitesses différentes, cette inadéquation peut créer un type de défaut microscopique appelé microségrégation.

"Quand la poudre d'alliage refroidit, les métaux individuels peuvent précipiter, " dit Seede. " Imaginez verser du sel dans l'eau. Il se dissout immédiatement lorsque la quantité de sel est faible, mais comme vous versez plus de sel, les particules de sel en excès qui ne se dissolvent pas commencent à précipiter sous forme de cristaux. En substance, c'est ce qui se passe dans nos alliages métalliques lorsqu'ils refroidissent rapidement après impression."

Il a déclaré que ce défaut apparaît sous la forme de minuscules poches contenant une concentration légèrement différente des ingrédients métalliques par rapport aux autres régions de la pièce imprimée. Ces incohérences compromettent les propriétés mécaniques de l'objet imprimé.

Pour rectifier ce microdéfaut, l'équipe de recherche a étudié la solidification de quatre alliages contenant du nickel et un autre ingrédient métallique. En particulier, pour chacun de ces alliages, ils ont étudié les états ou phases physiques présents à différentes températures pour des concentrations croissantes de l'autre métal dans l'alliage à base de nickel. A partir de diagrammes de phases détaillés, ils pourraient déterminer la composition chimique de l'alliage qui conduirait à une microségrégation minimale lors de la fabrication additive.

Prochain, ils ont fait fondre une seule piste de la poudre de métal d'alliage pour différents réglages laser et ont déterminé les paramètres de processus qui produiraient des pièces sans porosité. Puis, ils ont combiné les informations recueillies à partir des diagrammes de phase avec celles des expériences à piste unique pour obtenir une vue consolidée des paramètres laser et des compositions d'alliage de nickel qui produiraient une pièce imprimée sans porosité et sans microségrégation.

Durer, les chercheurs sont allés plus loin et ont formé des modèles d'apprentissage automatique pour identifier des modèles dans leurs données d'expérience à piste unique et leurs diagrammes de phase pour développer une équation de microségrégation applicable à tout autre alliage. Seede a déclaré que l'équation est conçue pour prédire l'étendue de la ségrégation compte tenu de la plage de solidification, propriétés matérielles, et la puissance et la vitesse du laser.

"Notre méthodologie facilite l'utilisation réussie d'alliages de compositions différentes pour la fabrication additive sans se soucier d'introduire des défauts, même à l'échelle microscopique, " dit Ibrahim Karaman, Professeur Chevron I et chef du département de science et ingénierie des matériaux. "Ce travail sera d'une grande utilité pour l'aérospatiale, les industries de l'automobile et de la défense qui sont constamment à la recherche de meilleures façons de fabriquer des pièces métalliques personnalisées."

Les collaborateurs de recherche Raymundo Arroyavé et Alaa Elwany ont ajouté que le caractère unique de leur méthodologie réside dans sa simplicité, qui peut facilement être adapté par les industries pour construire robuste, pièces sans défaut avec un alliage de choix. Ils ont noté que leur approche contrastait avec les efforts antérieurs qui reposaient principalement sur des des expériences chronophages pour optimiser les conditions de traitement.