德克萨斯州农工大学新研究加速金属增材制造标准化快速实现

几千年来,冶金学家一直在精心调整钢的成分以增强其性能。因此,今天存在多种钢的变体;但是有一种叫做马氏体钢,因其强度更高,生产成本更低而在同类钢中脱颖而出。因此,马氏体钢有助于在航空航天、汽车和国防工业等领域的应用,这些行业需要在不增加成本的情况下制造高强度、轻量化的零件。

德克萨斯A&M大学的研究人员与空军研究实验室的科学家们合作,现在已经制定了一套标准化制造指南,可以将马氏体钢3D打印成几乎任何形状的非常坚固、无缺陷的物体。

3D打印马氏体钢粉
3D打印马氏体钢粉

马氏体钢,尤其是一种被称为低合金马氏体钢的钢材,要想有多样化的应用,就需要根据特定的应用,将其组装成不同形状和尺寸的物体。这时,快速成型制造(通常称为3D打印)就提供了一个实用的解决方案。利用这项技术,通过用锐利的激光束沿图案加热熔化一层金属粉末,这样一个复杂物品就一层层地制造出来。

然而,使用激光3D打印马氏体钢会在材料中形成孔隙缺陷。这就会大幅降低最终3D打印物的强度。为了防止这些缺陷出现,Karaman和德克萨斯农工大学的团队首先选择了一个现有的数学模型,灵感来自于焊接,以预测在不同的激光速度和功率设置下,单层马氏体钢粉末熔化方式。通过在熔化粉末的单一轨迹中观察到的缺陷类型和数量与模型的预测进行比较,逐渐改变现有模型,从而改进随后的预测。

经过几次这样的迭代后,他们的框架可以正确预测,不需要额外的实验,就能正确预测一套新的、未经测试的激光设置是否会导致马氏体钢中的缺陷。研究人员表示,这种方法更省时。通过实验和建模相结合,开发出一个简单、快速、循序渐进的工作程序,用于确定哪种设置对马氏体钢的3D打印效果最好。

虽然一开始研究专注于马氏体钢的3D打印,但后来研究人员已经创建了一个更通用的打印程序,目前研究人员指定的这套标准化指南还可以扩展应用范围用来打印任何其他金属。简化3D打印金属的艺术,使最终产品没有气孔,这对于所有类型的金属快速成型制造行业来说是一个重要的发展,这些行业从制造像螺丝一样简单的零件到更复杂的零件,如起落架、齿轮箱或涡轮机等,都是一个重要的发展。

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