La tecnologia LENS in un processo in un’unica fase sviluppato per stampare strutture multimateriali in 3D

Tecnologia LENS utilizzata nel nuovo processo one-step per la stampa 3D di strutture multimateriali

Laser engineering net shaping ( LENS ), una tecnologia di produzione di additivi ibridi brevettata sviluppata da Optomec , viene spesso utilizzata per la stampa 3D di metalli di valore elevato . Può anche essere aggiunto all’attrezzatura CNC esistente, per riparare parti utilizzando la stampa 3D. Ora, un gruppo di ricerca della Washington State University  (WSU) sta utilizzando la tecnologia LENS in un processo in un’unica fase sviluppato per stampare strutture multimateriali in 3D.

Amit Bandyopadhyay, Herman e Brita Lindholm Endowed Chair, professore alla School of Mechanical and Materials Engineering dell’università, ha dichiarato: “Questo è un passo avanti verso il prossimo livello di produzione e la prossima generazione di progettazione, validazione, ottimizzazione e produzione utilizzando la stampa 3D. ”
Amit Bandyopadhyay mostra un campione bimetallico stampato in 3D.
Non solo la stampa 3D ha cambiato radicalmente molte pratiche industriali, ma ha anche influito notevolmente sui processi di progettazione dei prodotti. Ma la maggior parte delle stampanti 3D può utilizzare solo un materiale alla volta per le parti di stampa 3D, non il caso per il nuovo processo del team WSU. I ricercatori, guidati da Bandyopadhyay, sono stati in grado di utilizzare la loro nuova tecnica per le strutture di stampa 3D sia in metallo che in ceramica, e un tubo bimetallico magnetico ad un’estremità e non nell’altra.

Questo mese, il team ha pubblicato un documento sul loro lavoro, intitolato ” Produzione additiva di una struttura bimetallica in lega di rame 718-Inconel utilizzando la tecnologia di sagomatura del laser (LENS)”, nella  rivista Additive Manufacturing .

La ricerca è stata finanziata dal  Joint Center for Aerospace Technology Innovation , dalla National Science Foundation e dal Marshall Space Flight Center della NASA ; i coautori del saggio includono i dottorandi WSU Bonny Onuike e Bryan Heer e  Bandyopadhyay.

L’abstract recita: “Per comprendere la capacità di elaborazione e misurare le risultanti proprietà interfacciali e termiche di Inconel 718 e della lega di rame GRCop-84, le strutture bimetalliche sono state fabbricate utilizzando la tecnologia di formazione del laser (LENS), una tecnica di produzione additiva commercialmente disponibile. È stato ipotizzato che combinando in modo additivo le due leghe aerospaziali si formerebbe una struttura bimetallica unica con proprietà termofisiche migliorate rispetto alla lega Inconel 718. Sono stati usati due approcci: la deposizione diretta di GRCop-84 su Inconel 718 e la gradazione compositiva delle due leghe. La microscopia elettronica a scansione (SEM), la spettroscopia a dispersione di energia (EDS), la diffrazione a raggi X (XRD), la microdurezza Vickers e la diffusività termica flash sono state utilizzate per caratterizzare queste strutture bimetalliche per convalidare la nostra ipotesi. L’approccio di gradazione compositiva ha mostrato una graduale transizione di elementi di Inconel 718 e GRCop-84 all’interfaccia, che si rifletteva anche nel profilo di durezza trasversale dell’interfaccia bimetallica. Le immagini SEM mostravano strutture a grani colonnari all’interfaccia con CrAccumulo di precipitato di 2 Nb lungo i bordi dei grani e l’interfaccia di deposito di substrato. La diffusività termica media della struttura bimetallica è stata misurata a 11,33 mm 2 / s per l’intervallo di temperatura di 50 ° C-300 ° C; un aumento della diffusività del 250% rispetto alla pura lega Inconel 718 a 3,20 mm 2 / s. La conduttività delle strutture bimetalliche è aumentata di quasi il 300% rispetto a Inconel 718. Tali strutture con una gradazione compositiva progettata e proprietà termiche su misura aprono le possibilità di produzione di additivi metallici multimateriali per la prossima generazione di strutture aerospaziali. ”
astratto grafico
Con la possibilità di utilizzare più di un singolo materiale contemporaneamente durante i lavori di stampa 3D, i produttori possono controllare meglio le proprietà dei materiali come la protezione dalla corrosione, l’adattamento ambientale e la conduzione del calore. Ciò potrebbe aiutare a ridurre il numero di fasi di produzione e consentire ai produttori di realizzare prodotti complessi con più parti utilizzando una sola macchina, in un’unica operazione.

Inoltre, la stampa 3D multimateriale nega l’uso di adesivi o connessioni congiunte che sono attualmente necessari per realizzare prodotti multimateriali.

“Potresti unire due materiali molto forti insieme, ma la loro connessione sarà forte quanto il loro adesivo. La produzione multimateriale e additiva aiuta a sbarazzarsi del punto debole “, ha spiegato Bandyopadhyay.
Un sistema LENS è stato utilizzato per unire due materiali in un unico passaggio, e con successo ha stampato in 3D una struttura di rame e Inconel 718, che è una lega di nichel-cromo utilizzata nei razzi a combustibile liquido; è anche usato per fare parti in lamiera per motori di aeroplani.

Primo piano di oggetto di campione multimateriale stampato 3D.
Questo materiale può reggere bene a temperature elevate, ma si raffredda molto lentamente, il che è stato un vantaggio per questo progetto. Quando il rame è stato aggiunto al processo di stampa 3D, la parte potrebbe essere raffreddata del 250% più velocemente, il che equivale a una maggiore efficienza del carburante e una maggiore durata dei motori di aeroplano.

Questa ricerca ha anche aperto ulteriori opzioni di design. I ricercatori hanno lavorato con gli studenti universitari della WSU Tom Gualtieri e Yanning Zhang per stampare in 3D un materiale in metallo-ceramica in un’unica operazione.

“Questo ci consente di variare la composizione e aggiungere funzionalità a un prodotto durante la stampa 3D che è tradizionalmente molto difficile da ottenere. E possiamo farlo in un unico processo con una singola macchina “, ha detto Bandyopadhyay.

“La produzione additiva multimateriale ha aperto le porte a tante diverse possibili creazioni. Ci ha permesso di essere più audaci e più creativi. ”

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