La instalación gigante de rayos X muestra que los imanes pueden reducir los defectos en los componentes impresos en 3D

Los componentes críticos de seguridad para los autos de carreras de aviones y Fórmula 1 podrían algún día imprimir en 3D a través de una nueva técnica, desarrollada por investigadores de UCL y la Universidad de Greenwich, que reduce sustancialmente las imperfecciones en el proceso de fabricación.

La técnica se desarrolló después de que el equipo utilizó imágenes avanzadas de rayos X para observar las causas de las imperfecciones que se formaron en componentes complejos de aleación de metal impresa en 3D. Si esta técnica se despliega ampliamente, podría hacer un rango de estos componentes, desde juntas de cadera artificiales hasta piezas de aeronaves, más fuertes y más duraderas.

El estudio, publicado en Cienciaobserva las fuerzas en juego durante la impresión 3D basada en láser de aleaciones de metal con detalles sin precedentes y en tiempo real.

Para hacer esto, el equipo realizó imágenes de rayos X sincrotron de alta velocidad del proceso de fabricación En el sincrotrón de fuente de fotones avanzados (APS) en Chicago, para registrar la interacción compleja entre el haz láser y la materia prima metal en las escalas de tiempo de mucho menos de una milésima de segundo.

Esto les permitió ver la creación de pequeños poros en forma de ojo de teclado en el componente como resultado del vapor generado cuando el láser derritió las aleaciones de metal y la causa de las inestabilidades en el ojo de la cerradura que conduce a defectos en partes impresas en 3D.

Luego, el equipo observó que el proceso de fabricación con un campo magnético aplicado a las aleaciones de metal a medida que se forma la parte, lo que hipotetizó podría ayudar a estabilizar el punto en el que el láser golpea el metal fundidoreduciendo las imperfecciones.

Esta teoría resultó correcta, con una reducción del 80% en la formación de poros en componentes impresos, mientras que se aplicó un campo magnético apropiado.

El Dr. Xianqiang Fan, primer autor del estudio de la Ingeniería Mecánica de UCL, dijo: “Cuando el láser calienta el metal, se vuelve líquido, pero también produce vapor. Este vapor forma un penacho que empuja el metal fundido aparte, formando una depresión en forma de J. La tensión superficial de la superficie en la depresión en la depresión en el depresión en el depresión en el depresión en el depresión en el depresión en el depresión en el depresión en el depresión en el depresión en el depresión en el depresión en la depresión en el depresión en el depresión en el depresión en la depresión en el depresión en el depresión en la depresión en el depresión en el depresión en la depresión en el depresión en el depresión en el componente terminado en el componente terminado.

“Cuando aplicamos un campo magnético a este proceso, las fuerzas termoeléctricas causan un flujo fluido Eso ayuda a estabilizar el agujero para que se parezca a una forma ‘i’, sin cola para romper cuando se ondula “.

En la impresión 3D de aleaciones de metal a base de láser, un láser controlado por computadora derrite capas de polvo de metal para formar formas sólidas complejas. Esto permite la producción de componentes de aleación con complejidad incomparable para su uso en productos de alto valor en una amplia gama de sectores, desde piezas de bicicleta de titanio hasta prótesis biomédicas.

Para obtener capas gruesas a velocidades rápidas, el láser está altamente enfocado en el grosor de un cabello humano, creando una piscina fundida con una depresión de vapor en forma de llaves cerca del frente. Sin embargo, este ojo de cerradura puede ser inestable y crear burbujas que se conviertan en poros en el componente final, lo que impacta la durabilidad mecánica.

El profesor Peter Lee, autor principal del estudio de la Ingeniería Mecánica de UCL, dijo: “Aunque los poros de ojo clave en este tipo de componentes han sido conocidos durante décadas, las estrategias para evitar su formación se han mantenido en gran medida desconocidas. Una cosa que se ha demostrado que ocasionalmente ayuda es aplicar un campo magnético, pero los resultados no han sido repetibles y el mecanismo por el cual funciona.

“En este estudio, hemos podido ver el proceso de fabricación con detalles sin precedentes capturando imágenes más de 100,000 veces por segundo, tanto con y sin imanes, para mostrar que las fuerzas termoeléctricas pueden usarse para reducir significativamente la porosidad del ojo de la cerradura.

“En términos reales, esto significa que tenemos el conocimiento que necesitamos para crear componentes impresos en 3D de mayor calidad que durarán mucho más y expandirán el uso en nuevas aplicaciones críticas de seguridad, desde la aeroespacial hasta la fórmula 1.”

Antes de que se puedan aplicar las ideas de este estudio, los fabricantes deberán superar varios desafíos técnicos incorporar campos magnéticos en sus líneas de producción. Los autores dicen que es probable que esta traducción demore varios años, pero que el impacto de hacerlo será significativo.

El profesor Andrew Kao, autor principal del estudio de la Universidad de Greenwich, dijo: “Nuestra investigación arroja luz sobre las fuerzas físicas involucradas en este tipo de fabricación, donde hay una dinámica intrincada entre la tensión superficial y las fuerzas viscosas.

“Aplicar el campo magnético interrumpe esto e introduce aún más la amortiguación electromagnética y las fuerzas termoeléctricas y, en este trabajo, este último actúa para estabilizar beneficiosamente el proceso.

“Con esta nueva herramienta poderosa, podemos controlar el flujo de fusión sin la necesidad de modificar los materiales de materia prima o haz láser forma. Estamos muy emocionados de ver cómo podemos aplicar esta herramienta para desarrollar microestructuras únicas adaptadas para una gama de aplicaciones de uso final.

“Si está fabricando caderas artificiales o baterías para vehículos eléctricoslas mejoras en la fabricación de aditivos hará que sea más rápido y más barato producir componentes impresos en 3D que también sean de mayor calidad “.