Аддитивные технологии проникают во множество новых сфер и обещают со временем существенно изменить саму суть производства. Печать экономит материалы и гибко адаптируется к новым изделиям, что особенно актуально при изготовлении крупных моделей, в частности, деталей корпусов автомобилей. Для этого важно сохранить прочностные характеристики деталей, с чем успешно справились японские исследователи.
Художественное представление процесса. Источник изображения: Tohoku University
Учёные из Университета Тохоку исследовали влияние режимов лазерной 3D-печати с напылением (L-PBF) на прочность деталей из сплавов алюминия и стали. Это позволяет создавать лёгкие и особенно прочные детали корпусов автомобилей, например, стойки подвесок амортизаторов. Однако при расплавлении порошка сплава лазером в процессе изготовления деталей на границах двух металлов возникают хрупкие переходные зоны, не соответствующие техническим требованиям.
«Мультиматериалы являются горячей темой в области аддитивного производства из-за гибкости процесса, — объясняет доцент Кента Яманака (Kenta Yamanaka). — Однако основная проблема при практической реализации заключается в том, что для определенных комбинаций металлов, таких как сталь и алюминий, на границах раздела разнородных металлов могут образовываться хрупкие интерметаллиды. Таким образом, хотя материал теперь легче, в конечном итоге он становится более хрупким».
Напечатанный элемент подвески
Исследователи выяснили, какие скоростные режимы лазера нужно соблюдать, чтобы минимизировать образование интерметаллидов. Для этого стойки крепления амортизаторов автомобиля печатались с разной скоростью прохода лазера, а кристаллическая структура материала на границе раздела тщательно изучалась.
График выдерживаемых образцами нагрузок в зависимости от скорости во время печати
Учёные обнаружили, что увеличение скорости прохода лазера значительно подавляет образование хрупких интерметаллических соединений (таких как Al₅Fe₂ и Al₁₃Fe₄). Они предположили, что более высокая скорость спекания вызывает так называемое неравновесное затвердевание, которое минимизирует разделение растворённых веществ, приводящее к образованию слабых мест в материале. Созданный исследователями образец, таким образом, продемонстрировал исключительно прочные связующие поверхности.