Sa suvremenom strojnom opremom za stogodišnje metalurške probleme
26.09.2018
»Primijenili smo 70 godina staru nuklearnu teoriju i s njom riješili sto godina star metalurški problem sa strojnom opremom iz 21. stoljeća,« rekao je Hunter Martin, doktorand i istraživač sa Sveučilišta Kalifornija iz Santa Barbare, koji je s kolegama iz HRL Laboratories LLC napravio prodor u metalurgiji. Razvili su tehniku za uspješno 3D-tiskanje visoko čvrstih aluminijskih legura, uključujući Al 7075 i Al 6061, koje su vrlo tražene u zrakoplovnoj, svemirskoj i automobilskoj industriji te biomedicini. Prednost navedenog postupka 3D-tiskanja je u dosadašnjoj najuspješnijoj brzini izrade i troškovnoj učinkovitosti, a pored toga je mogu primjenjivati i za visoko čvrste čelike i super legure od nikla, koje je do sada bilo teško obrađivati u aditivnoj proizvodnji.
Aditivna proizvodnja metalnih proizvoda do sada se obično temeljila na primjeni tankih slojeva praha metalnih legura, najčešće zagrijavanih s pomoću lasera ili drugog izravnog izvora topline za taljenje i očvršćivanje sloja. Kod takve vrste tehnologije postoji velika vjerojatnost za nastajanje krhkosti i pojave napuklina. Tehnologija funkcionalizacije nanočestica, koju su razvili u HRL, rješava postojeću problematiku s oblikovanjem visoko čvrstih nehrđajućih legura u prahu s posebno izabranim nanočesticama. Nanočestice, funkcionalizirani prah, se postavljaju u 3D-pisač, koji slojeve praha laserski spaja u željeni 3D-predmet. Tijekom taljenja i očvršćivanja, nanočestice djeluju kao nukleacijska mjesta za željenu mikrostrukturu legure, što sprječava vruće napukline i omogućuje zadržavanje pune čvrstoće legura u načinjenoj tvorevini.
Kako su taljenje i očvršćivanje u aditivnoj proizvodnju slični zavarivanju, funkciju nanočestica HRL-a možemo primijeniti i za izradu zavarivih legura. Ta tehnika je također prilagodljiva i primjenjuje nisko-cjenovne materijale. Konvencionalni legirani prahovi i nanočestice proizvode sirovine za pisač s nanočesticama jednakomjerno razdijeljenim na površini praškastih zrna.
Prvi cilj istraživača se odnosio na potpuno uklanjanje vrućih napuklina. Nastojali su kontrolirati mikrostrukturu, pri čemu su tražili prirodno način rješavanja za očvršćivanje materijala. Za traženje odgovarajućih nanočestica, u ovom slučaju nanočestica na temelju cirkonija, HRL timu je ključnu podršku osigurala tvrtka Citrine Informatics, koja im je omogućila proučiti brojne moguće čestice, kako bi našli one s traženim svojstvima. "Ključna je bila primjena informatike," rekao je istraživač Brannan Yahata. Na osnovi kristalografskih informacija, omogućila je selektivni pristup teoriji nukleacije za traženje materijala s potrebnim svojstvima. S pomoću analize podataka suzili su područje raspoloživih materijala od sto tisuća na nekoliko primjerenih. Bez otrova, ujednačene, sa zrnima približno jednake duljine, širine i visine, postignute su sitnozrnate mikrostrukture, što je dovelo do čvršćih materijala, usporedivih s kovanim materijalima.
Pristup HRL istraživača proizvodnji metalnih dodataka se primjenjuje za široki spektar legura te se može izvoditi s primjenom različitih dodataka. Tako se osigurava temelj za široku industrijsku primjenjivost, uključujući to, da se umjesto selektivnog laserskog taljenja primjenjuju tehnike taljenja s elektronskim snopom ili usmjerenim energijskih talištem, koje će omogućavati aditivnu proizvodnju drugih sustava legura intermetalnih materijala i nezavarivih super legura na bazi nikla. Za svoj istraživački rad su u travnju u New Yorku dobili srebrnu medalju 2018 Edison Awards u kategoriji Primjenjivih tehnologija/3D-tiskanja.
Laboratorij je prošle godine u listopadu osnova novi centar namijenjen ubrzavanju razvoja visokoučinkovitih materijala – metala, keramike i poliera – za potrebe procesa aditivne proizvodnje.