Дослідники з Інституту досліджень матеріалів та Центру створення нових галузей промисловості при Університеті Тохоку здійснили прорив у технології багатокомпонентного 3D-друку, продемонструвавши процес створення легкої, але міцної автомобільної деталі.
Процес металевого 3D-друку включає створення об'єктів шляхом нанесення металів шар за шаром з використанням тепла для їхнього зв'язування. Точність 3D-друку дозволяє виробляти унікальні, високою мірою настроювані форми, які часто створюють менше відходів побічних продуктів, ніж традиційні методи виробництва. Багатокомпонентні структури, які стратегічно об'єднують різні матеріали для оптимальної продуктивності компонента, також можуть бути створені за допомогою 3D-друку. Наприклад, сталеві автомобільні деталі можна зробити легшими, поєднавши їх з алюмінієм. Завдяки цим перевагам освоєння таких методів 3D-друку привертає значну увагу дослідників.
Однак ця технологія пов'язана із деякими труднощами.
«Мультиматеріали є гарячою темою в галузі адитивного виробництва через гнучкість процесу», — пояснює доцент Кента Яманака (Університет Тохоку). «Однак основна проблема практичної реалізації полягає в тому, що для певних комбінацій металів, таких як сталь та алюміній, на межах розділу різнорідних металів можуть утворюватися тендітні інтерметалеві сполуки. Таким чином, хоча матеріал тепер легший, він зрештою стає більш крихким».
Метою цього дослідження, що був опублікований у журналі Additive Manufacturing, було створення сплаву сталі та алюмінію, який був би легким, але не поступався міцністю. Для цього дослідна група використовувала лазерну порошкову сплавку (L-PBF), одну з основних технологій 3D-друку металами, яка використовує лазер для вибіркового плавлення металевих порошків. Вони виявили, що збільшення швидкості сканування лазера значно пригнічує утворення крихких інтерметалевих сполук (таких як Al5Fe2 та Al13Fe4). Вони припустили, що ця більш висока швидкість сканування призводить до так званого нерівноважного затвердіння, яке мінімізує поділ розчинених речовин, що призводить до слабких місць у матеріалі. Отриманий ними продукт, отже, продемонстрував міцні сполучні інтерфейси.
"Іншими словами, ви не можете просто з'єднати два метали і очікувати, що вони склеяться без плану", — каже спеціально призначений доцент Сингюн Ім (Університет Тохоку). "Спочатку нам довелося повністю зрозуміти механізм легування in situ".
Грунтуючись на цьому досягненні, вони успішно створили прототип першого у світі повномасштабного багатокомпонентного автомобільного компонента (стійки підвіски) з індивідуальною геометрією. Дослідницька група має намір застосувати ці результати до інших комбінацій металів, де аналогічні проблеми зі зчепленням потребують покращення, що дозволить використовувати їх у ширших сферах застосування.
