Delar som dessutom tillverkas med AF-9628, ett flygvapnets stål, är cirka 20 procent starkare än konventionella AM-legeringar, när det gäller den ultimata draghållfastheten, enligt forskning utförd av kapten Erin Hager, en anställd vid Air Force Research Laboratory och nyutexaminerad från Air Force Institute of Technologys Aerospace Engineering Program.

AF-9628 är en stållegering utvecklad av AFRL:s Dr Rachel Abrahams som erbjuder hög hållfasthet och seghet. Formeln, smeknamnet Rachels stål, kostar mindre än vissa andra högpresterande stållegeringar inklusive Eglin Steel och HP-9-4-20; dock, det är dyrare än vanliga kvaliteter som används i konventionella krigsmateriel. AF-9628 är unik eftersom den inte innehåller volfram, som Eglin Steel eller kobolt, del av formeln för HP-9-4-20, som finns i Massive Ordnance Penetrator, en 30, 000 pund bomb som förstör tillgångar i välskyddade anläggningar.

Hagers forskning, sponsrad av Air Force Research Laboratory Munitions Directorate vid Eglin AFB, Florida, fastställt att AF-9628 är ett optimalt material för additiv tillverkning på grund av sin höga hållfasthet. Även om dessa resultat är jämförbara med värden som rapporterats i en liknande U.S. Army Combat Capabilities Development Command Army Research Laboratory-studie, Hager gav liknande mekaniska egenskaper till konventionellt smidda och värmebehandlade AF-9628. Dr Sean Gibbons, en forskningsmaterialingenjör med munitionsdirektoratet med expertis inom stål, beskriver detta fynd som "spännande".

I arbetet med Rachel's Steel, Hager använde pulverbäddssmältning, en typ av additiv tillverkning där en laser selektivt smälter pulver i ett mönster för att skapa tredimensionella objekt. När varje lager är färdigt, skrivaren fördelar mer pulver på byggområdet, och processen fortsätter tills delen är klar.

"För att avgöra om AF-9628 var utskrivbar, vi kännetecknade pulverets form och storlek och [identifierade] hur det förändrades med smältning och siktning, "Säger Hager. Hon undersökte det under ett skanningselektronmikroskop vid AFIT och utförde tester vid University of Dayton Research Institute med hjälp av en storlek som karakteriserar ljusmikroskop.

Hager tillhandahöll den kemiska sammansättningen av AF-9628 stål till Powder Alloy Corp., en tillverkare i Cincinnati, Ohio. När hon väl fick pulvret och fastställde att det smälte förutsägbart i maskinen, hon gick vidare till att skapa faktiska testartiklar. Efter att ha skrivit ut olika delar, hon analyserade den resulterande porositeten, styrka och slaghållfasthet.

Hon förklarade att många "legeringar inte tar sig till [additiv tillverkning] särskilt bra." Till exempel, "vissa legeringar kommer inte att smälta och de spricker mycket när du faktiskt försöker göra en del." Dock, när Hager undersökte hennes delar, hon noterade att de mekaniska egenskaperna var "ganska bra". Hon fann inga tecken på sprickor och beskrev utmatningen som "mycket lik traditionellt tillverkade delar".

Efter en mer grundlig undersökning, hon fastställde att delarna "matchade den erforderliga töjningen på 10 procent, vilket tyder på ökad styrka utan att bli spröda." Hager förklarar att delarna "uppfyllde eller överträffade [specifikationerna] direkt ur maskinen."

Efter att hon framgångsrikt skapat enkla delar, Hager började skriva ut komplexa mönster inklusive flera invecklade projektiler. Hon använde två maskiner på AFIT och skrev ut cirka 130 artiklar inklusive 30 små cylindrar, 60 större cylindrar, 20 dragstänger och 20 slagprover.

Delarna hon gjorde är lämpliga för vapenapplikationer. När flygvapnet ursprungligen utvecklade AF-9628 för bunkersprängande bombapplikationer, "den ursprungliga idén var att göra framtidens penetrerande vapen med exakt den önskade explosiva profilen."

Hager förklarar att additiv tillverkning "tillåter [ingenjörer] att lägga vikt [på ammunition] bara där det behövs." I sista hand, detta "möjliggör lättare ammunition som blir lika djup, så [flygplan] kan bära fler av dessa vapen, " hon säger.

Enligt UDRI -ingenjörer, medan additiv tillverkning (i vissa fall) effektivt kan tillverka komplexa former till en lägre kostnad än traditionell tillverkning, processen kan lämna kvarvarande spänningar i delar på grund av den snabba uppvärmningen och kylningen under byggprocessen.

Hager sa att "tillsats är inte en precisionsprocess så det är svårt att hålla geometriska toleranser och eftersom föremålen kan komma ut grovt, ibland går de igenom mycket efterbearbetning."

Dr Philip Flater, en maskiningenjör som leder Munitions directorate additive manufacturing group som sponsrade denna forskning, förklarat att detta kan innebära polering och/eller värmebehandling av grova ytor för att lösa materialfel som porer och uppnå optimala mekaniska egenskaper.

Medan Hager sa att grovhet och porositet inte är idealiska egenskaper i funktionella delar som används upprepade gånger, hon förklarade att komponenter för ammunition är engångsartiklar.

Tills vidare, AF-9628-pulvret är endast tillgängligt i mycket små produktionskvantiteter och företag kan ta månader att formulera det. Som sådan, medan AF-9628 är ett billigare stål, hon sa att "pulverformen inte [för närvarande] resulterar i samma kostnadsbesparingar" eftersom efterfrågan är låg.

"Det är inte särskilt vanligt att kunder efterfrågar höghållfasta stål i pulverform, " hon förklarade.

Hager hoppas att denna tidiga framgång kommer att leda till ökat intresse för höghållfasta stål.

"Det finns inte mycket stålforskning, " Hon sa, tillägger att pågående "studier involverar mestadels titan och kompositer."

Hager planerar att sprida budskapet om hennes fynd, och hon hoppas att flygvapnet ska "ta detta höghållfasta stål och komma med några nya applikationer som vi inte ens har tänkt på ännu." Hon presenterade nyligen sin forskning under en internationell pulvermetallurgikonferens och ett ammunitions- och ballistiksymposium.

För närvarande, hon arbetar inom AFRL:s material- och tillverkningsdirektorat i det avancerade krafttekniska kontoret där hon undersöker nya krafttekniker som flygvapnet kan använda för att minska kostnaderna. Som medlem i flyggruppen, Hager fokuserar på alternativa bränslen, lätta viktnings- och luftmotståndsreducerande åtgärder.

AFRL:s ammunitionsdirektorat leder ytterligare forskningsinsatser som inbegriper additivt tillverkad ammunition. Målet är att skapa ammunition med precisionskontrollerad fragmentering och blasttryckprofiler som minimerar säkerhetsskador.