Sikkerhetskritiske komponenter for fly og Formel 1-racerbiler kan en dag bli 3D-printet via en ny teknikk, utviklet av forskere ved UCL og University of Greenwich, som reduserer ufullkommenheter i produksjonsprosessen betydelig.
Teknikken ble utviklet etter at teamet brukte avansert røntgenavbildning for å observere årsakene til ufullkommenheter som ble dannet i komplekse 3D-printede komponenter lagd av metall-legeringer. Hvis denne teknikken blir utbredt, kan den gjøre en rekke av disse komponentene, fra kunstige hofteledd til flydeler, sterkere og mer holdbare.
Studien, publisert i Science, observerer kreftene som spiller under laserbasert 3D-utskrift av metallegeringer i enestående detalj og i sanntid.
For å gjøre dette utførte teamet høyhastighets synkrotron-røntgenbilder av produksjonsprosessen ved Advanced Photon Source (APS) synkrotron i Chicago, for å registrere den komplekse interaksjonen mellom laserstrålen og metallråmaterialet over tidsskalaer på mye mindre enn en tusendels sekund.
Dette gjorde at de kunne se dannelsen av små nøkkelhullformede porer i komponenten som et resultat av dampen som ble generert når laseren smeltet metallegeringene, og årsaken til ustabilitet i nøkkelhullet som fører til defekter i 3D-printede deler.
Deretter observerte teamet produksjonsprosessen med et magnetfelt påført metalllegeringene mens delen dannes, som de antok kunne bidra til å stabilisere punktet der laseren treffer det smeltede metallet, og redusere ufullkommenhet.
Denne teorien viste seg å være riktig, med en 80 % reduksjon i poredannelse i komponenter som ble skrevet ut mens et passende magnetfelt ble påført.
Dr. Xianqiang Fan, førsteforfatter av studien fra UCL Mechanical Engineering, sa: »
– Når laseren varmer opp metallet blir det flytende, men produserer også damp. Denne dampen danner en sky som skyver det smeltede metallet fra hverandre, og danner en J-formet fordypning. Overflatespenning forårsaker krusninger i fordypningen og bunnen av den brytes av, noe som resulterer i porer i den ferdige komponenten.
Påføring av et magnetfelt under denne prosessen forårsaker termoelektriske krefter på en en væskestrøm som hjelper til med å stabilisere hullet.
I laserbasert 3D-utskrift av metallegeringer smelter en datastyrt laser lag med metallpulver for å danne komplekse solide former. Dette muliggjør produksjon av legeringskomponenter med uovertruffen kompleksitet for bruk i høyverdiprodukter i et bredt spekter av sektorer, fra sykkeldeler i titan til biomedisinske proteser.
For å oppnå tykke lag ved høye hastigheter, er laseren sterkt fokusert til omtrent tykkelsen til et menneskehår, og skaper et smeltet basseng med en nøkkelhullformet dampdepresjon nær fronten. Imidlertid kan dette nøkkelhullet være ustabilt og skape bobler som blir porer i den endelige komponenten, noe som påvirker mekanisk holdbarhet.
Professor Peter Lee, seniorforfatter av studien fra UCL Mechanical Engineering, sa:
– Selv om nøkkelhullporer i denne typen komponenter har vært kjent i flere tiår, har strategier for å forhindre dannelse forblitt stort sett ukjente. En ting som av og til har vist seg å hjelpe er å påføre et magnetfelt, men resultatene har ikke vært repeterbare, og mekanismen som fungerer med er omstridt.
– I denne studien har vi vært i stand til å se produksjonsprosessen i enestående detalj ved å ta bilder over 100 000 ganger i sekundet, både med og uten magneter, for å vise at termoelektriske krefter kan brukes til å redusere nøkkelhullets porøsitet betydelig.
Lee forteller at dette betyr at vi nå har kunnskapen vi trenger for å lage 3D-printede komponenter av høyere kvalitet som vil vare mye lenger og utvide bruken til nye sikkerhetskritiske applikasjoner, fra romfart til Formel 1.
Før innsikten fra denne studien kan brukes, må produsentene overvinne flere tekniske utfordringer for å inkorporere magnetiske felt i produksjonslinjene sine. Forfatterne sier at denne implementeringen sannsynligvis vil ta flere år, men at virkningen av å gjøre det vil være betydelig.
Professor Andrew Kao, en seniorforfatter av studien fra University of Greenwich, sa:
– Vår forskning kaster lys over de fysiske kreftene som er involvert i denne typen produksjon, der det er en intrikat dynamikk mellom overflatespenning og viskøse krefter. Påføring av magnetfeltet forstyrrer dette og introduserer ytterligere elektromagnetisk demping og termoelektriske krefter, og i dette arbeidet virker sistnevnte for å stabilisere prosessen gunstig.
– Med dette nye kraftige verktøyet kan vi kontrollere smeltestrømmen uten å måtte endre råmateriale eller laserstråleform. Vi er veldig spente på å se hvordan vi kan bruke dette verktøyet til å utvikle unike mikrostrukturer skreddersydd for en rekke sluttbruksapplikasjoner.
«Enten det er å lage kunstige hofter eller batteripakker for elektriske kjøretøy, vil forbedringer i additiv produksjon gjøre det raskere og billigere å produsere 3D-printede komponenter som også er av høyere kvalitet.
Denne forskningen ble støttet av UK EPSRC og Royal Academy of Engineering.
