Uniwersytet Tohoku opracował trwałą konstrukcję stalowo-aluminiową stop poprzez druk 3D, pokonując wyzwania związane z kruchością dzięki zaawansowanym technikom laserowym, torując drogę innowacyjnym, lekkim komponentom motoryzacyjnym.
Naukowcy z Instytutu Badań Materiałowych i Centrum Tworzenia Nowego Przemysłu Uniwersytetu Tohoku osiągnęli znaczący przełom w druku 3D z wielu materiałów, pokazując jego potencjał w zakresie produkcji lekkich, a jednocześnie trwałych komponentów samochodowych.
Drukowanie 3D metalu polega na budowaniu obiektów warstwa po warstwie i łączeniu warstw metalu za pomocą ciepła. Technika ta zapewnia niezwykłą precyzję, umożliwiając tworzenie unikalnych, wysoce konfigurowalnych kształtów, minimalizując jednocześnie straty materiału w porównaniu z tradycyjnymi procesami produkcyjnymi.
Kluczową zaletą druku 3D jest możliwość tworzenia „struktur wielomateriałowych”, które strategicznie łączą różne materiały w celu optymalizacji wydajności komponentu. Na przykład połączenie aluminium ze stalą w częściach samochodowych może znacznie zmniejszyć wagę przy jednoczesnym zachowaniu wytrzymałości. Te zalety sprawiły, że zaawansowane techniki druku 3D stały się przedmiotem zainteresowania badaczy na całym świecie, ponieważ niosą ze sobą ogromne nadzieje w zakresie innowacji w produkcji.
Interfejsy stal/stop Al otrzymane przy użyciu L-PBF przy różnych prędkościach skanowania. Źródło: ©Kenta Yamanaka i in. Technika ta wiąże się jednak z pewnymi wyzwaniami. „Wielomateriały to gorący temat w dziedzinie wytwarzania przyrostowego ze względu na elastyczność procesu” – wyjaśnia profesor nadzwyczajny Kenta Yamanaka (Uniwersytet Tohoku), „ Jednakże głównym wyzwaniem w praktycznym zastosowaniu jest to, że w przypadku niektórych kombinacji metali, takich jak stal i aluminium, na stykach różnych metali mogą tworzyć się kruche związki międzymetaliczne. Zatem chociaż materiał jest teraz lżejszy, staje się bardziej kruchy”.
Pokonywanie wyzwań: Laserowa fuzja łoża proszkowego (L-PBF)
Celem tego badania było wytworzenie stopu stalowo-aluminiowego, który byłby lekki, ale nie tracił na wytrzymałości. W tym celu zespół badawczy wykorzystał Laser Powder Bed Fusion (L-PBF), jedną z podstawowych technologii druku 3D z metali, która wykorzystuje laser do selektywnego topienia proszków metali.
Odkryli, że zwiększenie prędkości skanowania lasera znacząco hamuje powstawanie kruchych związków międzymetalicznych (takich jak Al5Fe2 i Al13Fe4). Zaproponowali, że ta większa prędkość skanowania prowadzi do tak zwanego nierównowagowego zestalania, które minimalizuje podział substancji rozpuszczonej skutkujący słabymi punktami materiału. Powstały produkt, który stworzyli, konsekwentnie wykazywał silne interfejsy wiążące.
„Innymi słowy, nie można po prostu skleić ze sobą dwóch metali i oczekiwać, że się połączą bez planu” – mówi specjalnie mianowany adiunkt Seungkyun Yim (Uniwersytet Tohoku). „Musieliśmy najpierw w pełni zrozumieć mechanizm tworzenia stopu in situ. ”
W oparciu o to osiągnięcie z powodzeniem stworzyli prototyp pierwszego na świecie pełnowymiarowego komponentu samochodowego z wielu materiałów (wieży zawieszenia) o dostosowanej geometrii. Grupa badawcza zamierza zastosować te ustalenia do innych kombinacji metali, w przypadku których podobne problemy z wiązaniem wymagają poprawy, co umożliwi szersze zastosowania.
Wyniki opublikowano w Produkcja przyrostowa 19 listopada 2024 r.
Odniesienie: „Wielomateriałowe wytwarzanie przyrostowe stali/stopu Al poprzez kontrolowanie granicy faz ciecz/ciało stałe w stapianiu złoża proszku wiązką lasera” Yujie Cui, Jiaxiang Li, Seungkyun Yim, Kenta Yamanaka, Kenta Aoyagi, Hao Wang i Akihiko Chiba, 19 listopad 2024, Produkcja przyrostowa.
DOI: 10.1016/j.addma.2024.104529
