Newswise — Metal Additive Manufacturing (AM) قول می دهد که روش ساخت و استفاده از قطعات خاص را متحول کند. فلز AM با کاهش ضایعات مواد و زمان کار، مراحل ساخت قطعات با هندسه پیچیده را در مقایسه با روش‌های تولید معمولی ساده‌تر می‌کند.
با این حال، صدها نقص بسیار کوچک (حدود 10 تا 50 میکرومتر، یک دهم تا یک سوم قطر موی انسان) ممکن است در طول فرآیند رخ دهد، که در هنگام اطمینان از اطمینان در عملکرد ساختاری محصول، چالشی ایجاد می‌کند. تاثیر مهندسی این عیوب به خوبی درک نشده است. و در منطقه ای که گواهینامه ها و استانداردها حاکم است، به دلیل عدم پردازش داده ها و پروتکل های استاندارد، اجرای این قطعات دشوار است.
محققان در آزمایشگاه فیزیک کاربردی جانز هاپکینز (APL) در لورل، مریلند، به دنبال درک بهتر تأثیر عیوب مختلف بر خواص مکانیکی مواد AM هستند. که در “آشکارسازی اثر ترکیبی مورفولوژی نقص و ریزساختار بر رفتار کششی Ti-6Al-4V تولید شده توسط همجوشی بستر پودر لیزری،“، که اخیراً در مجله فناوری پردازش مواد منتشر شده است، آنها داده هایی را ارائه می دهند که به درک تأثیرات نقص ها و امکان تصمیم گیری کمک می کند.
یکی از روش های ساخت قطعات فلزی AM ذوب لیزری انتخابی است، فرآیندی که با استفاده از انرژی لیزر، پودرهای فلزی را ذوب و ذوب می کند. استفان استورک، نویسنده مقاله، مهندس مکانیک در بخش تحقیقات و توسعه اکتشافی APL (REDD) گفت: “همجوشی بستر پودر لیزری یک فناوری تولید افزودنی غالب است که هنوز به پتانسیل خود نرسیده است.” مشکل اینجاست که گاهی حباب‌ها یا منافذ کوچکی در طول فرآیند چاپ ایجاد می‌شوند و این منافذ از نظر قدرت یا عملکرد در مناطقی از محصولات نهایی عدم اطمینان ایجاد می‌کنند.
دو نوع طبیعی وجود دارد نقص پردازش: عدم سنتز و قفل. اولین مورد زمانی رخ می دهد که انرژی کافی برای ذوب کامل لایه پودر فلز وجود نداشته باشد. نقص قفل زمانی رخ می دهد که چگالی انرژی بیش از حد، ناپایداری سیال دینامیکی را در لایه غبار مذاب ایجاد می کند. با انحراف چگالی انرژی بالاتر یا پایین تر از حد مطلوب، مقدار و اندازه عیوب افزایش می یابد.
استورک به همراه تیموتی مونتالبانو، صلاح الدین نیمر، کریستوفر پیچ، جو سوپسیساک و داگ تریگ، و برندی بریگز و جی واترمن از بخش هواپیماهای مرکز جنگ هوایی نیروی دریایی، عمداً هر دو نوع نقص را در نمونه‌ها معرفی کردند. آنها بر خواص مکانیکی قطعات تأثیر می گذارند.
نتایج نشان می‌دهد که اگرچه مقادیر بالای هر نوع نقص نامطلوب است، اما مطلوب‌تر است که در حوزه قفل – با غلظت مشابهی از نقص‌ها – نسبت به حوزه بدون همجوشی قرار گیرد. این تیم همچنین دریافتند که پالایش ریزساختاری در اطراف یک نقص سوراخ کلید می‌تواند با اثر ضعیف‌کننده نقص مقابله کند. حتی کمتر از 4-5% تخلخل در ناحیه قفل منجر به مقاومت تسلیم یک قطعه با تخلخل ناچیز می شود، هدفی که بسیاری از مهندسان مکانیک برای طراحی قطعات از آن استفاده می کنند.
استورک توضیح داد: «ما شرایط پردازش لیزر را برای شبیه‌سازی عیوب طبیعی در فرآیند اصلاح کردیم و سه مقدار مشابه از نقص در قفل و عدم وجود حوزه‌های همجوشی ایجاد کردیم. سپس ما مواد را از هر شرایط پردازش با استفاده از توموگرافی کامپیوتری اشعه ایکس اسکن و کمی کردیم تا اندازه و توزیع عیب را ترسیم کنیم و نمونه‌های حاوی این نقص‌های حاصل را در آزمایش کششی یکنواخت مقایسه کردیم تا دامنه نقص ترجیحی برای مقدار معینی از نقص‌ها را تعیین کنیم. “
این تحقیق بخشی از تلاش‌های مداوم APL با فرماندهی سیستم‌های هوایی نیروی دریایی برای درک اثرات نقص در تولید مواد افزودنی بود. استورک گفت: “تحقیقات در حال انجام ما اکنون از این کشف همراه با یادگیری ماشینی برای بازنویسی روش پردازش مواد با ذوب لیزری استفاده می کند.”
مورگان ترکسلر، که برنامه علوم مواد افراطی و چند منظوره REDD را مدیریت می‌کند، افزود: «این کار گامی حیاتی در زمینه‌سازی برای فعال کردن صلاحیت قطعات AM در آینده است. “درک مشترک از تاثیر تاثیرات شرایط پردازش بر ریزساختار و خواص یک ماده و جزء، مبنای علمی را برای فعال کردن پروتکل‌ها برای اجرای ایمن قطعات تولید شده با مواد افزودنی فراهم می‌کند.”
آزمایشگاه فیزیک کاربردی، یک بخش غیرانتفاعی از دانشگاه جانز هاپکینز، به چالش‌های مهم ملی از طریق کاربرد نوآورانه علم و فناوری می‌پردازد. برای اطلاعات بیشتر مراجعه کنید www.jhuapl.edu.
