La lega al nichel-cromo Inconel 718 viene spesso utilizzata per la stampa 3D di componenti per vari settori, tra cui quello automobilistico , aerospaziale e medico . Resistente alla corrosione, il materiale può resistere alle alte temperature, ma si raffredda molto lentamente. Secondo Doug Hedges , presidente e COO del fornitore di servizi di stampa 3D in metallo Sintavia LLC , il materiale non è facile da lavorare, ma la stampa 3D consente di creare complessi canali interni all’interno di build, risparmiando tempo. Un gruppo di ricercatori del Dipartimento di ingegneria meccanica della Northwestern University ha studiato il materiale.
Questa superlega è perfetta per la stampa 3D di parti di motori di aeromobili e di motori a reazione, a causa delle sue elevate proprietà di trazione, cedimento e creep-break a temperature più elevate. È perfetto per la stampa 3D, in quanto può rendere i prodotti più leggeri e ridurre la quantità di lavorazione necessaria, poiché può fabbricare parti a forma di rete quasi netta.
Il team di ricerca ha recentemente pubblicato un articolo intitolato ” Effetto della velocità di raffreddamento sulla resistenza a trazione del laser depositato Inconel 718 ” nella rivista Procedia Manufacturing . I coautori includono Jennifer L. Bennett , Orion L. Kafka, Haiguang Liao, Sarah J. Wolff, Cheng Yu, Puikei Cheng, Gregory Hyatt con DMG MORI , Kornel Ehmann e Jian Cao.
L’abstract dice: “La storia termica generata dal processo di produzione additiva influenza le proprietà dei materiali risultanti. Sebbene esistano tendenze tra tasso di solidificazione e microstruttura, il tasso di solidificazione non è sufficiente per prevedere la microstruttura finale e quindi le proprietà meccaniche. Lo scopo di questo studio è quello di mettere in relazione gli effetti combinati del tempo di solidificazione e del tempo di raffreddamento del materiale costruito con il suo carico di rottura finale. Il tempo di raffreddamento è stato definito come il tempo dal momento in cui il luogo di interesse passa per ultimi da 1.200 ° C a quando raggiunge i 400 ° C. Nove posizioni su una parete sottile IN718 depositata con laser sono state studiate in dettaglio per comprendere l’effetto della velocità di raffreddamento sulla resistenza a trazione. I campioni di trazione sono stati lavorati in questi punti. Le storie termiche dei luoghi di interesse sono state confrontate con la geometria di costruzione e la resistenza a trazione finale di quella posizione. Una relazione proporzionale inversa è stata osservata tra la distanza della posizione di interesse dal substrato e il tempo di raffreddamento. È stata anche osservata una tendenza che collega l’aumento della temperatura superficiale e un aumento del tempo di solidificazione. Il tempo di raffreddamento e di solidificazione ponderato (WCAST) è stato definito come la somma del tempo di solidificazione normalizzato ponderato e del tempo di raffreddamento normalizzato. Si è visto che la resistenza alla trazione massima diminuiva con l’aumento del WCAST. Le immagini di microscopia ottica della microstruttura di costruzione confermano che tempi di raffreddamento e di solidificazione più lunghi portano a microstrutture più grossolane, che possono determinare la resistenza a trazione più bassa misurata. ” Una relazione proporzionale inversa è stata osservata tra la distanza della posizione di interesse dal substrato e il tempo di raffreddamento. È stata anche osservata una tendenza che collega l’aumento della temperatura superficiale e un aumento del tempo di solidificazione. Il tempo di raffreddamento e di solidificazione ponderato (WCAST) è stato definito come la somma del tempo di solidificazione normalizzato ponderato e del tempo di raffreddamento normalizzato. Si è visto che la resistenza alla trazione massima diminuiva con l’aumento del WCAST. Le immagini di microscopia ottica della microstruttura di costruzione confermano che tempi di raffreddamento e di solidificazione più lunghi portano a microstrutture più grossolane, che possono determinare la resistenza a trazione più bassa misurata. ” Una relazione proporzionale inversa è stata osservata tra la distanza della posizione di interesse dal substrato e il tempo di raffreddamento. È stata anche osservata una tendenza che collega l’aumento della temperatura superficiale e un aumento del tempo di solidificazione. Il tempo di raffreddamento e di solidificazione ponderato (WCAST) è stato definito come la somma del tempo di solidificazione normalizzato ponderato e del tempo di raffreddamento normalizzato. Si è visto che la resistenza alla trazione massima diminuiva con l’aumento del WCAST. Le immagini di microscopia ottica della microstruttura di costruzione confermano che tempi di raffreddamento e di solidificazione più lunghi portano a microstrutture più grossolane, che possono determinare la resistenza a trazione più bassa misurata. ” Il tempo di raffreddamento e di solidificazione ponderato (WCAST) è stato definito come la somma del tempo di solidificazione normalizzato ponderato e del tempo di raffreddamento normalizzato. Si è visto che la resistenza alla trazione massima diminuiva con l’aumento del WCAST. Le immagini di microscopia ottica della microstruttura di costruzione confermano che tempi di raffreddamento e di solidificazione più lunghi portano a microstrutture più grossolane, che possono determinare la resistenza a trazione più bassa misurata. ” Il tempo di raffreddamento e di solidificazione ponderato (WCAST) è stato definito come la somma del tempo di solidificazione normalizzato ponderato e del tempo di raffreddamento normalizzato. Si è visto che la resistenza alla trazione massima diminuiva con l’aumento del WCAST. Le immagini di microscopia ottica della microstruttura di costruzione confermano che tempi di raffreddamento e di solidificazione più lunghi portano a microstrutture più grossolane, che possono determinare la resistenza a trazione più bassa misurata. ”
Lo scopo dello studio Northwestern è quello di “collegare gli effetti combinati del tempo di solidificazione e del tempo di raffreddamento del materiale di costruzione alla sua resistenza a trazione finale (UTS)”. Il team ha utilizzato una lavorazione ibrida a 5 assi e uno strumento di stampa 3D per depositare una parete sottile, a zig-zag, di Inconel 718 atomizzata a gas su un substrato di acciaio inossidabile.
Misura della temperatura dei luoghi di interesse sulla parete.
Durante il processo di deposizione laser, è stata utilizzata una fotocamera digitale ad infrarossi per catturare le misurazioni della temperatura di macchie sul muro che i ricercatori avevano ritenuto fossero di interesse. Nel complesso, il team ha studiato nove posizioni sulla sottile parete di Inconel 718 per comprendere meglio l’effetto combinato sulla resistenza a trazione dei tempi di raffreddamento e di solidificazione. Hanno determinato che le microstrutture più grossolane derivano da tempi di raffreddamento e di solidificazione più lunghi e hanno osservato una tendenza che collega temperature superficiali più elevate con tempi di solidificazione maggiori.
Immagini al microscopio ottico che mostrano microstrutture in diverse posizioni del campione.
Il documento concludeva: “Comprendendo le condizioni termiche che determinano determinate proprietà meccaniche, il percorso dell’utensile può essere pianificato o il controllo termico può essere usato per mantenere le condizioni termiche per produrre un componente con le proprietà meccaniche desiderate. Questa ricerca presenta il potenziale per creare proprietà meccaniche uniformi o graduali variando le condizioni termiche. ”
I ricercatori hanno scritto che studieranno i collegamenti tra la storia termica e l’ottimizzazione delle proprietà finali dei materiali depositati con laser in tutti gli studi che condurranno in futuro.
