Критически важные для безопасности компоненты самолетов и гоночных автомобилей Формулы-1 однажды смогут быть напечатаны на 3D-принтере с помощью новой технологии, разработанной исследователями из Калифорнийского университета в Лондоне и Гринвичского университета, которая существенно снижает дефекты в процессе производства.

Метод был разработан после того, как команда использовала передовую рентгеновскую визуализацию для наблюдения за причинами дефектов, которые образовывались в сложных компонентах из металлических сплавов, напечатанных на 3D-принтере. Если этот метод получит широкое распространение, он может сделать целый ряд таких компонентов, от искусственных тазобедренных суставов до деталей самолетов, более прочными и долговечными.

В исследовании, опубликованном в журнале Science , с беспрецедентной детализацией и в режиме реального времени рассматриваются силы, действующие во время лазерной 3D-печати металлических сплавов.

Для этого группа провела высокоскоростную синхротронную рентгеновскую съемку производственного процесса на синхротроне Advanced Photon Source (APS) в Чикаго, чтобы зафиксировать сложное взаимодействие между лазерным лучом и металлическим сырьем в масштабах времени, значительно меньших тысячной доли секунды.

Это позволило им увидеть образование небольших пор в форме замочной скважины в компоненте в результате образования пара при плавлении металлических сплавов лазером, а также причину нестабильности в замочной скважине, которая приводит к дефектам в деталях, напечатанных на 3D-принтере.

Затем группа наблюдала за производственным процессом с применением магнитного поля к металлическим сплавам по мере формирования детали. Они предположили, что это может помочь стабилизировать точку, в которой лазер попадает на расплавленный металл , уменьшая дефекты.

Эта теория оказалась верной: образование пор в напечатанных компонентах при приложении соответствующего магнитного поля сократилось на 80%.

Доктор Сяньцян Фань, первый автор исследования из факультета машиностроения UCL, сказал: «Когда лазер нагревает металл, он становится жидким, но также выделяет пар. Этот пар образует струю, которая раздвигает расплавленный металл, образуя углубление в форме буквы J. Поверхностное натяжение вызывает рябь в углублении, и его дно отламывается, в результате чего в готовом компоненте образуются поры».

«Когда мы применяем магнитное поле к этому процессу, термоэлектрические силы вызывают поток жидкости , который помогает стабилизировать отверстие так, чтобы оно напоминало форму буквы «I», без хвоста, который мог бы отломиться при возникновении ряби».

При лазерной 3D-печати металлических сплавов лазер с компьютерным управлением расплавляет слои металлического порошка, образуя сложные твердые формы. Это позволяет производить компоненты из сплавов с непревзойденной сложностью для использования в дорогостоящих продуктах в широком спектре секторов: от титановых деталей велосипедов до биомедицинских протезов.

Для получения толстых слоев на высокой скорости лазер фокусируется на толщине человеческого волоса, создавая расплавленную ванну с паровым углублением в форме замочной скважины вблизи передней части. Однако эта замочная скважина может быть нестабильной и создавать пузырьки, которые становятся порами в конечном компоненте, влияя на механическую прочность.

Профессор Питер Ли, старший автор исследования из UCL Mechanical Engineering, сказал: «Хотя поры типа «замочная скважина» в этих типах компонентов известны уже несколько десятилетий, стратегии предотвращения их образования остаются в значительной степени неизвестными. Было показано, что иногда помогает применение магнитного поля, но результаты не были воспроизводимыми, а механизм его действия является спорным».

«В этом исследовании мы смогли наблюдать за производственным процессом с беспрецедентной детализацией, захватывая изображения более 100 000 раз в секунду, как с магнитами, так и без них, чтобы показать, что термоэлектрические силы можно использовать для значительного уменьшения пористости замочной скважины.

«На практике это означает, что у нас есть знания, необходимые для создания высококачественных 3D-печатных компонентов, которые прослужат гораздо дольше и найдут применение в новых критически важных для безопасности областях — от аэрокосмической отрасли до Формулы-1».

Прежде чем выводы из этого исследования можно будет применить, производителям придется преодолеть несколько технических проблем, чтобы включить магнитные поля в свои производственные линии. Авторы говорят, что этот перевод, вероятно, займет несколько лет, но что влияние этого будет значительным.

Профессор Эндрю Као, старший автор исследования из Гринвичского университета, сказал: «Наше исследование проливает свет на физические силы, задействованные в этом типе производства, где существует сложная динамика между поверхностным натяжением и силами вязкости.

«Применение магнитного поля нарушает этот процесс и дополнительно вводит электромагнитное затухание и термоэлектрические силы, и в данной работе последние действуют для полезной стабилизации процесса.

«Благодаря этому новому мощному инструменту мы можем контролировать течение расплава без необходимости изменения исходных материалов или формы лазерного луча . Мы очень рады увидеть, как мы можем применить этот инструмент для разработки уникальных микроструктур, адаптированных для различных конечных применений.

«Будь то изготовление искусственных бедер или аккумуляторных батарей для электромобилей , усовершенствования в аддитивном производстве позволят ускорить и удешевить производство 3D-печатных компонентов, которые при этом будут более высокого качества».