Sicherheitskritische Komponenten für Flugzeuge und Formel -1 -Rennwagen könnten eines Tages 3D über eine neue Technik gedruckt werden, die von Forschern der UCL und der University of Greenwich entwickelt wurde und die Unvollkommenheiten im Herstellungsprozess erheblich reduzieren.
Die Technik wurde entwickelt, nachdem das Team die fortschrittliche Röntgenbildgebung verwendet hatte, um die Ursachen von Unvollkommenheiten zu beobachten, die sich in komplexen 3D-Druckmetalllegierungskomponenten bildeten. Wenn diese Technik weit verbreitet wird, kann sie eine Reihe dieser Komponenten erstellen, von künstlichen Hüftfugen bis hin zu Flugzeugteilen, stärker und haltbarer.
Die Studie, veröffentlicht in Wissenschaftbeobachtet die Kräfte, die während des 3D-Drucks von Metalllegierungen auf Laserbasis im beispiellosen Detail und in Echtzeit spielen.
Zu diesem Zweck führte das Team Hochgeschwindigkeitssynchrotron-Röntgenbildgebung des Herstellungsprozesses bei der Synchrotron Advanced Photon Source (APS) in Chicago durch, um die komplexe Wechselwirkung zwischen dem Laserstrahl und dem Metallrohstoff über die Zeitskalen von viel weniger aufzuzeichnen als tausendste Sekunde.
Dies ermöglichte es ihnen, die Schaffung kleiner schlüssellochförmiger Poren in der Komponente infolge des Dampfs zu sehen, der erzeugt wurde, wenn der Laser die Metalllegierungen schmolz, und die Ursache für Instabilitäten im Schlüsselloch, das zu Defekten in 3D-gedruckten Teilen führt.
Das Team beobachtete dann den Herstellungsprozess mit einem Magnetfeld, das auf die Metalllegierungen aufgetragen wurde, als der Teil gebildet wird, was sie hypothettig haben könnten, um den Punkt zu stabilisieren, an dem der Laser auf das geschmolzene Metall trifft und Unvollkommenheiten verringert.
Diese Theorie erwies sich als richtig, wobei die Porenbildung in Komponenten um 80% reduziert wurde, während ein geeignetes Magnetfeld angewendet wurde.
Dr. Xianqiang-Fan, erster Autor der Studie von UCL Maschinenbau, sagte: „Wenn der Laser das Metall erwärmt, wird es flüssig, aber auch Dampf produziert. Dieser Dampf bildet eine Wolke, die das geschmolzene Metall auseinander schiebt und ein J-förmiges bildet Depressionen.
„Wenn wir ein Magnetfeld auf diesen Prozess auftragen, verursachen thermoelektrische Kräfte einen Flüssigkeitsfluss, der hilft, das Loch so zu stabilisieren, so dass es einer ‚i‘ -Form ähnelt, ohne dass der Schwanz abbricht, wenn es sich aufrundet.“
Im 3D-Druck von Laserbasis von Metalllegierungen schmilzt ein computergesteuerter Laserschichten aus Metallpulver, um komplexe feste Formen zu bilden. Dies ermöglicht die Produktion von Legierungskomponenten mit einer unvergleichlichen Komplexität für die Verwendung in hochwertigen Produkten in einer Vielzahl von Sektoren, von Titan-Fahrradteilen bis hin zu biomedizinischen Prothetik.
Um dicke Schichten bei schnellen Geschwindigkeiten zu erhalten, konzentriert sich der Laser stark auf die Dicke eines menschlichen Haares und erzeugt einen geschmolzenen Pool mit einer schlüsselloch geformten Dampfdepression in der Nähe der Vorderseite. Dieses Schlüsselloch kann jedoch instabil sein und Blasen erzeugen, die in der endgültigen Komponente Poren werden, was sich auf die mechanische Haltbarkeit auswirkt.
Professor Peter Lee, Senior Autor der Studie von UCL Maschinenbau, sagte: „Obwohl die Schlüssellochporen in diesen Art von Komponenten seit Jahrzehnten bekannt sind, sind Strategien zur Verhinderung ihrer Formation weitgehend unbekannt geblieben. Eine Sache, die gelegentlich nachgewiesen wurde Hilfe ist die Anwendung eines Magnetfeldes, aber die Ergebnisse waren nicht wiederholbar und der Mechanismus, durch den es arbeitet, ist umstritten.
„In dieser Studie konnten wir den Herstellungsprozess in beispiellosen Details beobachten, indem wir Bilder über 100.000 Mal pro Sekunde mit und ohne Magneten erfassen, um zu zeigen, dass thermoelektrische Kräfte verwendet werden können, um die Porosität der Schlüsselloch erheblich zu verringern.
„In realer Begriffe bedeutet dies, dass wir das Wissen haben, das wir benötigen, um qualitativ hochwertige 3D-gedruckte Komponenten zu erstellen, die viel länger dauern und die Verwendung in neue sicherheitskritische Anwendungen von der Luft- und Raumfahrt bis zur Formel 1 erweitern.“
Bevor die Erkenntnisse aus dieser Studie angewendet werden können, müssen die Hersteller mehrere technische Herausforderungen bewältigen, um Magnetfelder in ihre Produktionslinien einzubeziehen. Die Autoren sagen, dass diese Übersetzung wahrscheinlich mehrere Jahre dauern wird, aber dass die Auswirkungen davon erheblich sein werden.
Professor Andrew Kao, ein leitender Autor der Studie der University of Greenwich, sagte: „Unsere Forschung beleuchtet die physikalischen Kräfte, stört dies und führt weiter die elektromagnetische Dämpfung und thermoelektrische Kräfte ein, und in dieser Arbeit stabilisiert letztere den Prozess vorteilhaft.
„Mit diesem neuen leistungsstarken Werkzeug können wir den Schmelzfluss steuern, ohne dass Fuseds-Materialien oder Laserstrahlform geändert werden müssen. Wir freuen uns sehr zu sehen, wie wir dieses Tool anwenden können, um einzigartige Mikrostrukturen zu entwickeln, die auf eine Reihe von Endverbrauchsanwendungen zugeschnitten sind .
„Egal, ob es sich um künstliche Hüften oder Akku für Elektrofahrzeuge handelt, die Verbesserungen der additiven Herstellung machen es schneller und billiger, 3D -gedruckte Komponenten zu produzieren, die ebenfalls von höherer Qualität sind.“
Diese Forschung wurde vom britischen EPSRC und der Royal Academy of Engineering unterstützt.
