Problémák merültek fel a 3D nyomtatás egyik stratégiájával kapcsolatban

A lézeres porágyfúzió (LPBF: laser powder bed fusion) a fém alkatrészek 3D nyomtatásának népszerű módszere. Vékony rétegű, mintázott fémet hoz létre azáltal, hogy a lézer egy fémpor ágyon pásztázza az előre elkészített mintákat, amelyek a késztermék 3D modelljének metszetéből származnak. Amint az olvadt fém megszilárdul, a réteget tartó emelvény leereszkedik és a nyomtató új porréteget ad a tetejére, hogy a lézer rétegenként tovább építhesse az elemet.

A második réteg megkezdése után feszültség keletkezik a fémben. Ez azért történik, mert az LPBF-ben használt fémek gyorsan lehűlnek, mire a lézer új réteget melegít fel, az előző réteg fémje megszilárdult. Az olvadt rétegek lehűlve befelé húzódnak, húzva az alatta lévő szilárd fémet és ez feszültséget okoz közöttük. Minél nagyobb a hőmérséklet-különbség, annál jobban húzódnak az olvadt rétegek. Ez a folyamat minden rétegnél megismétlődik, amíg az alkatrész elkészül, feszültséget zárva a szilárd fémbe.

„Hihetetlen mennyiségű erő feszíti a kész elemet" - mondja Thien Phan, a Nemzeti Műszaki Intézet (NIST: National Institute of Technology) kutatómérnöke. - A darab egyben van és közben széttépi magát. A fennmaradó feszültség megrepeszthetné vagy deformálhatná az alkatrészt az építés során, ami össze is törhetné a gépet.

Annak megértése érdekében, hogy a 3D nyomtatás során miként alakul ki fennmaradó feszültség, és hogyan lehet azt megfékezni, a NIST és számos nemzeti laboratórium közelebbről megvizsgálta, hogy a különböző nyomtatási minták milyen hatást gyakorolnak a 3D nyomtatású titánötvözet alkatrészekre, a standard LPBF módszer szerint. Az egyik stratégiát, az „island” szkennelést, széles körben használják az iparban a visszamaradó feszültség csökkentésére.

Derült égből villámcsapás

Az LPBF legegyszerűbb nyomtatási mintája a folytatólagos szkennelés, ahol a lézer oda-vissza pásztáz a réteg egyik végéből a másikba. Ennek egyik alternatívája, a fent említett „island” szkennelés, melynél kis fémrészeket (vagy szigeteket) olvaszt fel egyenként, nem pedig egy teljes réteget. Ez azt jelentené, hogy kevesebb fém munkálódik meg egyidejűleg, ami csökkenti az alkatrészben felgyülemlő általános feszültséget. A kutatók adatai szerint azonban az „island” szkennelés okozta a legnagyobb belső feszültséget, felülírva a csapat elvárásait.

„Ez meglepő volt, és jól tükrözi a probléma összetettségét" - mondja Phan. „Az eset megmutatja, hogy bár az „island” szkennelés sok esetben működhet, a mi tesztjeinknél nem volt megfelelő, ami valóban rávilágít arra a tényre, hogy pontosabb modellezésre van szükségünk."

A tanulmányhoz a kutatók négy titánötvözetből készült hidat nyomtattak, amik alig több mint 2 centiméter hosszúságúak. A mintákat folyamatos vagy „island” szkenneléssel készítették, hosszúságukban és szélességükben 45 fokban beállított lézerekkel.

Az erős szinkrotron által generált nagy energiájú röntgensugarakat a minták mélyére sugározták. A fémről visszaverődő röntgensugarak hullámhosszának mérésével a csapat pontosan meg tudta mérni a fématomok közötti távolságot. A kutatók ebből számolták ki az anyagot feszítő erők mértékét. Minél nagyobbak a távolságok, annál nagyobb a feszültség a fémben. A kapott információ alapján térképeket készítettek, amik megmutatták a mintában a feszültség pontos helyét és mértékét. Valamennyi minta feszültsége majdnem megegyezett a titánötvözet folyáshatárával. Amikor a feszültség megegyezik az anyag folyási szilárdságával, akkor véglegesen deformálódik.

„Az „island” szkennelési minták oldalain és tetején valóban nagy feszültségek jelennek meg, amelyek hiányoznak, vagy sokkal kevésbé hangsúlyosak a folyamatos pásztázási mintákban" - mondja Lyle Levine, a NIST fizikusa. „Ha az „island” szkennelés során igyekeznénk enyhíteni ezeket az erőket, akkor a mi esetünkben ez korántsem lenne sikeres."

Fokozódó feszültség, összetett megoldás

Egy másik teszt alkalmával a mérnökök eltávolították a hidak egyik lábát a fém alaplemezről, amelyre nyomtatták. A csapat megmérte, hogy azok a lábak milyen mértékben ugrottak felfelé, amelyek a lemezekhez kapcsolódtak. Ez újabb mutatót adott számukra arról, hogy mekkora feszültség tárolódott a hídon belül. Ebben a tesztben az „island” szkenneléssel felvitt minták gyengén teljesítettek, a lábuk több mint kétszer olyan gyorsan ugrott fel, mint a folyamatos módszerrel felvitt minták esetében.

Vizsgálatuk alapján a kutatók arra a következtetésre jutottak, hogy az „island” szkennelés egy kétélű kard lehet. Bár a kis szigetek csökkenthetik az összehúzódást, jóval gyorsabban lehűlhetnek, mint a nagyobb olvadékmedencék, növelve a hőmérséklet-különbségeket és ezáltal fokozva a feszültséget is.

Az „island” szkennelés nem biztos, hogy minden esetben megegyezik a NIST egyéni kutatásával, a tanulmányban használt anyaggal és felszereléssel, így a csapat szerint megfelelő körülmények között mégis jó választás lehet. Az eredmények azonban azt jelzik, hogy nem orvosolja maradéktalanul a problémát. A feszültség minimalizálása érdekében előfordulhat, hogy a gyártóknak a munkafolyamathoz kell igazítaniuk a szkennelési stratégiájukat és egyéb paramétereket. Ebben segíthetnek a számítógépes modellek. A csapat egyik hosszú távú célja pedig az, hogy támogatást nyújtson a gyártóknak tesztelni és fejleszteni a 3D nyomtatás prediktív modelljeit – amelyek, ha pontosak, meg tudják óvni őket a visszamaradó feszültség romboló hatásától.

A 3D nyomtatás próbaverzióval történő javítása helyett a gyártók a modellek segítségével gyorsan és olcsón meghatározhatják a legjobb paramétereket, írja a Machine Design.