La fabricación aditiva de metales (AM) promete revolucionar la forma en que producimos y usamos ciertas piezas. Reducir el desperdicio de material y el tiempo de trabajo. metal AM simplifica los pasos para crear piezas de geometría compleja en comparación con los métodos de fabricación convencionales.

Sin embargo, cientos de defectos muy pequeños (~ 10-50 micrómetros) pueden surgir durante el proceso, presentando un desafío a la hora de garantizar la confianza en el desempeño estructural del producto. El impacto de ingeniería de estos defectos no se comprende bien; y, en un campo donde reinan las certificaciones y los estándares, Es difícil colocar estas partes en el campo debido a la falta de procesamiento de datos y protocolos estándar.

Investigadores del Laboratorio de Física Aplicada de Johns Hopkins (APL), en Laurel, Maryland, se propuso comprender mejor la influencia de diferentes defectos en el rendimiento mecánico de los materiales AM. En "Descubriendo el impacto acoplado de la morfología y la microestructura del defecto en el comportamiento de tracción del Ti-6Al-4V fabricado mediante fusión de lecho de polvo con láser, "publicado recientemente en el Journal of Materials Processing Technology, proporcionan datos para ayudar a comprender los efectos de los defectos y permitir la toma de decisiones.

Un método para construir piezas de metal AM es la fusión selectiva con láser, un proceso que derrite y fusiona polvos metálicos usando energía láser. "La fusión por lecho de polvo con láser es una tecnología de fabricación aditiva dominante que aún no ha alcanzado su potencial, "dijo el autor correspondiente Steven Storck, ingeniero mecánico en el Departamento de Investigación y Desarrollo Exploratorio (REDD) de APL. "El problema es que a veces se forman pequeñas burbujas o poros durante el proceso de impresión, y estos poros crean incertidumbre en la resistencia o el rendimiento en áreas de los productos terminados ".

Hay dos tipos naturales de defectos de procesamiento:falta de fusión y ojo de cerradura. Los primeros ocurren cuando no hay suficiente energía para fundir completamente el lecho de polvo metálico; Los defectos de ojo de cerradura ocurren cuando una densidad de energía excesiva forma una inestabilidad dinámica de fluidos en el lecho de polvo fundido. A medida que la densidad de energía se desvía por encima o por debajo de los niveles óptimos, la cantidad y el tamaño de los defectos aumentan.

Storck, junto con los coautores de REDD Timothy Montalbano, Salahudin Nimer, Christopher Peitsch, Joe Sopcisak y Doug Trigg, y Brandi Briggs y Jay Waterman de la División de Aeronaves del Centro de Guerra Aérea Naval, introdujo deliberadamente ambos tipos de defectos en muestras para determinar cómo influyen en las propiedades mecánicas de las piezas.

Los resultados mostraron que, si bien una gran cantidad de cada tipo de defecto es desfavorable, es más favorable estar en el dominio del ojo de la cerradura, con una concentración similar de defectos, que en la falta de dominio de fusión. El equipo también descubrió que el refinamiento microestructural alrededor de un defecto de ojo de cerradura puede contrarrestar el efecto debilitador del defecto. Incluso hasta un 4-5% de porosidad en el dominio del ojo de la cerradura da como resultado el mismo límite elástico que una pieza con una porosidad insignificante. una métrica objetivo que utilizan muchos ingenieros mecánicos para diseñar piezas.

"Modificamos las condiciones de procesamiento del láser para simular fallas naturales en el proceso y generamos tres cantidades similares de defectos en el ojo de la cerradura y la falta de dominios de fusión". "Storck explicó." Entonces, Escaneamos y cuantificamos el material de cada condición de procesamiento mediante tomografía computarizada de rayos X para mapear el tamaño y la distribución del defecto. y comparó muestras que contenían estos defectos resultantes en pruebas de tensión monótona para determinar el dominio de defecto preferido para una cantidad determinada de defectos ".

Esta investigación fue parte de los esfuerzos continuos de APL con el Comando de Sistemas Aéreos Navales para comprender los efectos de los defectos en la fabricación aditiva. "Nuestra investigación actual utiliza ahora este hallazgo combinado con el aprendizaje automático para reescribir la forma en que procesamos materiales con fusión por láser, "Dijo Storck.

"Este trabajo es un paso fundamental para sentar las bases que permitan la calificación de piezas AM en el futuro, "agregó Morgan Trexler, quien administra el programa de Ciencia de Materiales Extremos y Multifuncionales de REDD. "Una comprensión general de la influencia de los efectos de las condiciones de procesamiento en la microestructura resultante y las propiedades de un material y componente proporcionará la base científica para permitir protocolos para la implementación segura de piezas fabricadas aditivamente".