Säkerhetskritiska komponenter för flyg och Formel 1-bilar kan en dag 3D-printas med en ny teknik, utvecklad av forskare vid UCL och University of Greenwich, som avsevärt minskar brister i tillverkningsprocessen.
Tekniken utvecklades efter att forskarteamet använde avancerad röntgenavbildning för att studera orsakerna till defekter i komplexa 3D-printade komponenter av metallegeringar. Om denna teknik blir allmänt använd kan den göra en rad komponenter, från konstgjorda höftleder till flygplansdelar, starkare och mer hållbara.
Studien, publicerad i Science, observerar krafterna som påverkar laserbaserad 3D-utskrift av metallegeringar med enastående detaljrikedom och i realtid.
För att genomföra detta använde teamet högupplösta synkrotronröntgenbilder vid Advanced Photon Source (APS)-synkrotronen i Chicago. Detta gjorde det möjligt att analysera den komplexa interaktionen mellan laserstrålen och råmaterialet i metall på en tidskala långt under en tusendels sekund.
De kunde observera bildandet av små nyckelhålsformade porer i komponenten, vilket uppstod på grund av den ånga som genererades när lasern smälte metallegeringarna. Dessa instabiliteter i nyckelhålet leder till defekter i 3D-printade delar.
Därefter testade teamet att applicera ett magnetfält på metallegeringarna under utskriften, med hypotesen att detta skulle stabilisera smältpunkten där lasern träffar metallen och därmed minska defekterna.
Minskade med 80 procent
Teorin visade sig vara korrekt, och resultaten visade en 80 procent minskning av porbildning i komponenter som printades under påverkan av ett magnetfält.
Dr. Xianqiang Fan, huvudförfattare av studien vid UCL Mechanical Engineering, förklarar:
– När lasern värmer upp metallen blir den flytande, men skapar samtidigt ånga. Denna ånga bildar ett moln som trycker bort den smälta metallen, vilket skapar en J-formad fördjupning. Ytspänningen orsakar krusningar i denna fördjupning, och när botten bryts av bildas porer i den färdiga komponenten.
Genom att applicera ett magnetfält under denna process påverkas den termiska och elektriska strömningen i smältan, vilket hjälper till att stabilisera nyckelhålet och förhindra defekter.
Vid laserbaserad 3D-utskrift av metall smälter en datorstyrd laser lager av metallpulver för att skapa komplexa solida former. Denna metod gör det möjligt att tillverka komponenter med exceptionell komplexitet för högpresterande produkter inom flera branscher, från titanbaserade cykeldelar till medicinska implantat.
För att uppnå tjockare lager i höga hastigheter är lasern starkt fokuserad – ungefär lika tjock som ett hårstrå – vilket skapar ett smältbad med en nyckelhålsformad ångfördjupning. Dock kan detta nyckelhål bli instabilt och skapa bubblor, som blir porer i den slutliga komponenten, vilket påverkar den mekaniska hållbarheten.
100 000 bilder per sekund
Professor Peter Lee, seniorförfattare från UCL Mechanical Engineering, tillägger:
– Även om nyckelhålsporer i denna typ av komponenter har varit kända i flera decennier, har strategier för att förhindra dem varit okända. Magnetfält har ibland visat sig hjälpa, men resultaten har inte varit repeterbara, och mekanismen bakom har varit omstridd.
– I denna studie har vi kunnat observera tillverkningsprocessen i enastående detalj genom att ta över 100 000 bilder per sekund, både med och utan magnetfält. Vi har nu bevis för att termoelektriska krafter kan användas för att avsevärt minska porbildningen i nyckelhålet.
Lee förklarar att denna kunskap gör det möjligt att skapa högkvalitativa 3D-printade komponenter som håller längre och kan användas i nya säkerhetskritiska tillämpningar, från rymdfart till Formel 1.
Innan denna teknik kan implementeras brett måste tillverkare dock övervinna flera tekniska utmaningar för att integrera magnetfält i sina produktionslinjer. Forskarna bedömer att denna process kan ta flera år, men att effekterna kommer att vara betydande.
Kan styra smältprocessen
Professor Andrew Kao, seniorförfattare från University of Greenwich:
– Vår forskning ger en djupare förståelse för de fysikaliska krafterna som påverkar denna typ av tillverkning. Det handlar om en komplex dynamik mellan ytspänning och viskösa krafter. Genom att applicera ett magnetfält kan vi påverka denna dynamik och introducera elektromagnetisk dämpning samt termoelektriska krafter som stabiliserar processen.
– Med detta nya verktyg kan vi styra smältflödet utan att behöva ändra råmaterialet eller laserstrålens form. Vi ser fram emot att utforska hur denna teknik kan användas för att skapa unika mikrostrukturer för olika applikationer.
– Oavsett om det handlar om att tillverka konstgjorda höfter eller batteripaket för elbilar, kommer förbättringar inom additiv tillverkning att göra det snabbare och billigare att producera 3D-printade komponenter med högre kvalitet.
Denna forskning har finansierats av UK EPSRC och Royal Academy of Engineering.
