Как создаются стандарты 3D печати металлами

Одним из самых больших препятствий на пути широкого внедрения 3D печати металлом является то, что до сих пор существуют большие пробелы в понимании того, что происходит с материалом во время процесса. В частности, существует несколько инструментов, которые могут показать, что происходит с внутренней структурой различных металлов, когда они плавятся, а затем затвердевают во время печати.

Однако эта проблема может уйти в прошлое. Национальный институт стандартов и технологий (NIST), Королевский технологический институт KTH в Швеции и другие учреждения объявили о прорыве в способности прогнозировать и контролировать характеристики металлических деталей, напечатанных на 3D принтере. Это может помочь облегчить внедрение 3D печати металлом в крупномасштабное производство.

Это не первый случай, когда NIST проявляет интерес к 3D печати металлами. В прошлом году организация выделила гранты на сумму около 3,7 миллиона долларов для устранения текущих и будущих препятствий на пути внедрения металлических материалов и сплавов. Эти проекты были сосредоточены на таких темах, как определение ключевых свойств материалов для контроля качества в отрасли.

Проблемы 3D печати металлом

Запуск исследований последовал за очередным заявлением НАСА о том, что оно будет продолжать изучать способы улучшения сертификации и квалификации металлических деталей, напечатанных на 3D принтере. Популярность 3D печати только растет благодаря преимуществам, связанным с сокращением затрат и отходов. Однако проблемы с квалификацией и постоянным соответствием свойств деталей еще больше затруднили широкое внедрение 3D печати в производство. NIST надеется, что это открытие может изменить ситуацию.

Для обеспечения свойств материала ученым необходимо лучше понимать, что происходит при плавлении и охлаждении металла в процессе печати. В частности, им нужно было понять, как скорость охлаждения металла влияет на структуру детали. Однако сделать это оказалось сложно, поскольку затвердевание происходит почти мгновенно, что делает исследование практически невозможным. Чтобы обойти эту проблему, исследователи использовали два разных ускорителя частиц, чтобы наблюдать внутреннюю структуру стали, когда она плавится, а затем затвердевает во время 3D печати.

Таким образом, рентгеновские лучи генерировались ускорителями частиц в Аргоннской национальной лаборатории и Институте Пола Шеррера. Они были достаточно мощными, чтобы захватывать изображения процессов и проверять скорость при температурах от десятков тысяч до более миллиона кельвинов в секунду. Затем эти результаты сравнили с компьютерной моделью, разработанной в 1980-х годах и описывающей затвердевание сплавов.

Результаты исследований

Обращение к исследованиям прошлых лет было сделано не без причины. Эта модель известна тем, что позволяет прогнозировать свойства материалов в традиционных производственных процессах, но до сих пор было неясно, применима ли она к аддитивному производству металлов, учитывая быстрые изменения температуры во время печати.

Исследователи обнаружили, что то, что они наблюдали, также было предсказано в модели. Компьютерная модель была надежным инструментом для проектирования материалов в традиционном производстве, и теперь кажется, что ее можно использовать для 3D печати. В пресс-релизе упоминается, что модель можно использовать для информирования ученых и инженеров о скоростях охлаждения, необходимых на ранних стадиях затвердевания металла. Это обеспечит появление оптимальной структуры в желаемом материале, что сделает 3D печать металлом в целом более надежной.

Физик NIST Фань Чжан, соавтор исследования, заключил: «По сути, если мы сможем контролировать микроструктуру на ранних стадиях процесса печати, то мы сможем получить желаемые кристаллы и, в конечном итоге, определить характеристики деталей, изготовленных аддитивным способом. (...) Модельные и экспериментальные данные хорошо согласуются. Когда мы увидели результаты, мы были очень воодушевлены. Если у нас есть данные, мы можем использовать их для проверки моделей. Таким образом вы ускорите широкое внедрение аддитивного производства в промышленное использование.»

Итог

Современные исследования, которые проводят ученые со всего мира, позволяют глубже понять процессы 3D печати. Исследования свойств металлов помогут улучшить оборудование для 3D печати металлами и вывести аддитивное производство на новый уровень.

Наши предыдущие статьи:

Эластичный корпус из TPU95: новая тенденция в боях роботов

Как 3D-печать преображает мир красоты: инновации в косметической промышленности

Революция в мире игрушек: 3D-принтеры для детей