Additiv tillverkning (AM), eller 3D-utskrift, är en snabbt växande teknik med potential att revolutionera många branscher. AM-delar kan dock vara känsliga för defekter, såsom porositeter och sprickor, vilket kan begränsa deras prestanda och tillförlitlighet.
Forskare vid Queen Mary University of London, i samarbete med Shanghai Jiao Tong University, Centre of Excellence for Advanced Materials och University of Leicester, har utvecklat en beräkningsmodell för att avslöja hur infångning av lösta ämnen sker under den snabba stelningsprocessen i additiv tillverkning (AM) .
Studien, publicerad i Nature Communications , ger nya insikter om transport- och stelningsmekanismerna för lösta ämnen i AM, vilket kan leda till utvecklingen av nya material och processer för 3D-utskrift.
Fångst av lösta ämnen är ett fenomen som uppstår när lösta ämnen koncentreras i vissa områden av en stelningsfront. Detta kan leda till bildandet av icke-jämviktsmikrostrukturer, vilket kan vara skadligt för AM-delars egenskaper.
"Fångning av lösta ämnen är som att lägga till en hemlig ingrediens i ett recept", säger Dr. Chinnapat Panwisawas, motsvarande författare på studien och universitetslektor i material och hållfasthetslära vid Queen Mary University of London. "Genom att förstå hur lösta ämnen fungerar kan vi utveckla nya material och processer som kan leda till starkare, mer pålitliga och mer komplexa 3D-utskrivna komponenter."
Forskarna använde sin beräkningsmodell för att undersöka transporten av lösta ämnen som sker under de snabba och upprepade termiska cyklerna i AM. De fann att infångning av lösta ämnen främjas av smältkonvektion, vilket späder ut det uppdelade lösta ämnet vid stelningsfronten. Forskarna klargjorde också mekanismerna för de efterföljande mikrostrukturella övergångarna till ultrafina celler och sedan till grova celler.
Forskarna föreslår att deras resultat kan användas för att minska sprickkänsligheten i AM-delar genom att påskynda stelningsprocessen. De tror också att den detaljerade stelningsvägen som de har avslöjat uppvisar lovande potential för additivt tillverkade "svåra att skriva ut" superlegeringar och hjälper den framtida materialdesignen för bättre 3D-utskrivbarhet.
Mer information: Neng Ren et al, Solute trapping and non-equilibrium microstructure during rapid solidification of additive manufacturing, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43563-x
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av Queen Mary, University of London
