La produzione additiva in metallo (AM) promette di rivoluzionare il modo in cui produciamo e utilizziamo determinate parti. Ridurre gli sprechi di materiale e il tempo di lavoro, metal AM semplifica i passaggi per la creazione di parti a geometria complessa rispetto ai metodi di produzione convenzionali.

Però, centinaia di piccolissimi difetti (~10-50 micrometri) possono insorgere durante il processo, presentando una sfida quando si tratta di garantire la fiducia nelle prestazioni strutturali del prodotto. L'impatto ingegneristico di questi difetti non è ben compreso; e, in un campo dove le certificazioni e gli standard regnano sovrani, è difficile mettere in campo queste parti a causa della mancanza di dati di elaborazione e protocolli standard.

Ricercatori presso il Laboratorio di Fisica Applicata Johns Hopkins (APL), in alloro, Maryland, si proponeva di comprendere meglio l'influenza di diversi difetti sulle prestazioni meccaniche dei materiali AM. In "Scoprire l'impatto accoppiato della morfologia e della microstruttura del difetto sul comportamento alla trazione di Ti-6Al-4V fabbricato tramite fusione a letto di polvere laser, " pubblicato di recente sul Journal of Materials Processing Technology, forniscono dati per aiutare a comprendere gli effetti dei difetti e consentire il processo decisionale.

Un metodo per costruire parti AM in metallo è la fusione laser selettiva, un processo che fonde e fonde le polveri metalliche utilizzando l'energia laser. "La fusione a letto di polvere laser è una tecnologia di produzione additiva dominante che deve ancora raggiungere il suo potenziale, " ha detto l'autore corrispondente Steven Storck, un ingegnere meccanico nel dipartimento di ricerca e sviluppo esplorativo di APL (REDD). "Il problema è che a volte si formano piccole bolle o pori durante il processo di stampa, e questi pori creano incertezza nella forza o nelle prestazioni nelle aree dei prodotti finiti".

Esistono due tipi naturali di difetti di lavorazione:mancanza di fusione e buco della serratura. I primi si verificano quando non c'è abbastanza energia per fondere completamente il letto di polvere metallica; i difetti del buco della serratura si verificano quando un'eccessiva densità di energia forma un'instabilità fluidodinamica nel letto di polvere fusa. Poiché la densità di energia devia al di sopra o al di sotto dei livelli ottimali, la quantità e l'entità dei difetti aumentano.

Stork, insieme ai coautori REDD Timothy Montalbano, Salahudin Nimer, Christopher Peitsch, Joe Sopcisak e Doug Trigg, e Brandi Briggs e Jay Waterman della divisione aeronautica del Naval Air Warfare Center, ha deliberatamente introdotto entrambi i tipi di difetti nei campioni per determinare come influenzano le proprietà meccaniche delle parti.

I risultati hanno mostrato che mentre quantità elevate di ciascun tipo di difetto sono sfavorevoli, è più favorevole trovarsi nel dominio del buco della serratura, con una concentrazione di difetti simile, che nel dominio della mancanza di fusione. Il team ha anche scoperto che il perfezionamento microstrutturale attorno a un difetto del buco della serratura può contrastare l'effetto di indebolimento del difetto. Anche una porosità fino al 4-5% nel dominio del buco della serratura si traduce nella stessa resistenza allo snervamento di una parte con porosità trascurabile, una metrica target utilizzata da molti ingegneri meccanici per progettare parti.

"Abbiamo modificato le condizioni di lavorazione del laser per simulare i guasti naturali nel processo e abbiamo generato tre quantità simili di difetti nel buco della serratura e la mancanza di domini di fusione, "Storck ha spiegato. "Allora, abbiamo scansionato e quantificato il materiale da ogni condizione di lavorazione utilizzando la tomografia computerizzata a raggi X per mappare la dimensione e la distribuzione del difetto, e confrontato campioni contenenti questi difetti risultanti nel test di tensione monotona per determinare il dominio di difetto preferito per una data quantità di difetti."

Questa ricerca faceva parte degli sforzi in corso di APL con il Naval Air Systems Command per comprendere gli effetti dei difetti nella produzione additiva. "La nostra ricerca attuale sta ora utilizzando questa scoperta combinata con l'apprendimento automatico per riscrivere il modo in cui elaboriamo i materiali con la fusione laser, " ha detto Stork.

"Questo lavoro è un passaggio fondamentale per gettare le basi per consentire la qualificazione delle parti AM in futuro, " ha aggiunto Morgan Trexler, che gestisce il programma di REDD Science of Extreme and Multifunctional Materials. "Una comprensione generale dell'influenza degli effetti delle condizioni di lavorazione sulla microstruttura e sulle proprietà risultanti di un materiale e di un componente fornirà la base scientifica per consentire protocolli per l'implementazione sicura di parti prodotte in modo additivo".