Использование лазеров для «нагревания и удара» 3D-печатной стали может помочь сократить расходы

Концептуальная иллюстрация, показывающая, как стратегии обработки исследовательской группы можно использовать для пространственно манипулирования структурой металлов во время обработки слияния лазерного порошка.Кредит: Matteo Seita

Исследователи разработали новый метод для металла 3D -печати, который может помочь снизить затраты и более эффективно использовать ресурсы.

Метод, разработанный исследовательской группой, возглавляемая Кембриджским университетом, позволяет «запрограммировать» структурные модификации во время 3D-печати, тонко настраивать свои свойства без процесса «нагрева и биения», который использовался для тысяч тысячгоды.

Новый метод 3D -печати сочетает в себе лучшие качества обоих миров: сложные формы, которые делает возможным 3D -печать, и возможность разработать структуру и свойства металлов, которые позволяют традиционные методы.Результаты сообщаются в журнале Nature Communications.

3D -печать имеет несколько преимуществ по сравнению с другими методами производства.Например, гораздо проще создавать сложные формы с использованием 3D -печати, и он использует гораздо меньше материала, чем традиционные методы производства металлов, что делает его более эффективным процессом.Тем не менее, это также имеет значительные недостатки.

«В 3D -печати есть много обещаний, но она все еще не широко используется в промышленности, в основном из -за высоких производственных затрат», - сказал доктор Маттео Сейта из Департамента инженерии Кембриджа, который руководил исследованием.«Одним из основных факторов этих затрат является количество настройки, которые необходимы для материалов после производства».

Кадры, показывающие слияние лазерного порошкового слоя порошкового слоя из нержавеющей стали 316L в машине, сделанном на заказ, «принтер addme» в NTU в Сингапуре.Часть дизайна и съемки видео Джуда Э. Фронда.Кредит: Джуд Э. Фронда

С момента бронзового века, металлические детали были сделаны с помощью процесса отопления и избиения.Этот подход, где материал закален молотком и размягчается огнем, позволяет производителю сформировать металл в желаемую форму и в то же время придать физические свойства, такие как гибкость или сила.

«Причина, по которой нагрев и биение настолько эффективны, заключается в том, что он изменяет внутреннюю структуру материала, позволяя контролировать свои свойства», - сказала Сейта.«Вот почему он все еще используется через тысячи лет».

Одним из основных недостатков текущих методов 3D-печати является неспособность контролировать внутреннюю структуру таким же образом, поэтому требуется столько изменений после производства.

«Мы пытаемся придумать способы восстановить некоторые из этих возможностей структурного инженера без необходимости отопления и избиения, что, в свою очередь, поможет снизить затраты», - сказала Сейта.«Если вы можете контролировать желаемые свойства в металлах, вы можете использовать более зеленые аспекты 3D -печати».

Работая с коллегами в Сингапуре, Швейцарии, Финляндии и Австралии, Seita разработала новый «рецепт» для 3D -печатного металла, который обеспечивает высокую степень контроля над внутренней структурой материала, поскольку он расплавляется лазером.

Управляя тем, как материал затвердевает после плавления, и количество тепла, которое генерируется во время процесса, исследователи могут запрограммировать свойства конечного материала.Обычно металлы предназначены для того, чтобы быть сильными и жесткими, так что они безопасны для использования в структурных приложениях.3D -печатные металлы по своей природе сильны, но также и хрупкие.

Кадры, показывающие поиск трехмерной части из нержавеющей стали 316L и произведенной с помощью лазерного порошкового слоя с использованием специально разработанного машины «Addme Printer» в NTU в Сингапуре.Часть дизайна, производства и захвата видео Джуда Э. Фронда.Кредит: Джуд Э. Фронда

Стратегия, разработанная исследователями, обеспечивает полный контроль как прочность, так и прочность, запуская контролируемую реконфигурацию микроструктуры, когда 3D -печатная часть металла помещается в печь при относительно низкой температуре.В их методе используются обычные технологии 3D-печати на основе лазера, но с небольшим изменением процесса.

«Мы обнаружили, что лазер можно использовать в качестве« микроскопического молотка », чтобы затвердеть металл во время 3D -печати», - сказала Сейта.«Однако во второй раз плавление металла с одним и тем же лазером расслабляет структуру металла, позволяя конструкционной реконфигурации иметь место, когда часть помещается в печь».

Их 3D -печатная сталь, которая была разработана теоретически и подтверждена экспериментально, была изготовлена с чередующимися областями сильного и жесткого материала, что делает ее производительность сопоставимой со сталью, которая была сделана с помощью нагрева и избиения.

«Мы считаем, что этот метод может помочь снизить затраты на 3D -печать металла, что, в свою очередь, может повысить устойчивость производственной промышленности металлов», - сказала Сейта.«В ближайшем будущем мы также надеемся, что сможем обойти низкотемпературную обработку в печи, еще больше уменьшив количество, необходимые перед использованием 3D -печатных деталей в инженерных приложениях».

Команда включала исследователей из Технического университета Наняна, Агентства по науке, технологиям и исследованиям (A*Star), Института Пола Шеррера, Центра технических исследований VTT в Финляндии и Австралийской организации по ядерной науке и технологиям.Маттео Сейта - член колледжа Святого Иоанна, Кембридж.

Больше информации: Аддитивное производство сплавов с программируемой микроструктурой и свойствами, природная связь (2023).Doi: 10.1038/s41467-023-42326-y