A manufatura aditiva de metal (AM) promete revolucionar a maneira como produzimos e usamos certas peças. Reduzindo o desperdício de material e o tempo de trabalho, metal AM simplifica as etapas para a criação de peças de geometria complexa quando comparado aos métodos convencionais de manufatura.

Contudo, centenas de defeitos muito pequenos (~ 10-50 micrômetros) podem surgir durante o processo, apresentando um desafio quando se trata de garantir a confiança no desempenho estrutural do produto. O impacto de engenharia desses defeitos não é bem compreendido; e, em um campo onde as certificações e padrões reinam supremos, é difícil colocar em campo essas partes devido à falta de processamento de dados e de protocolos padrão.

Pesquisadores do Laboratório de Física Aplicada Johns Hopkins (APL), em Laurel, Maryland, estabelecido para entender melhor a influência de diferentes defeitos no desempenho mecânico dos materiais AM. Em "Descobrindo o impacto acoplado da morfologia do defeito e da microestrutura no comportamento de tração do Ti-6Al-4V fabricado via fusão de leito de pó a laser, "publicado recentemente no Journal of Materials Processing Technology, eles fornecem dados para ajudar a compreender os efeitos dos defeitos e permitir a tomada de decisões.

Um método de construção de peças de metal AM é a fusão seletiva a laser, um processo que derrete e funde pós metálicos usando energia laser. "A fusão de leito de pó a laser é uma tecnologia de manufatura aditiva dominante que ainda não atingiu seu potencial, "disse o autor correspondente Steven Storck, engenheiro mecânico do Departamento de Pesquisa e Desenvolvimento Exploratório (REDD) da APL. "O problema é que pequenas bolhas ou poros às vezes se formam durante o processo de impressão, e esses poros criam incerteza na força ou desempenho nas áreas dos produtos acabados. "

Existem dois tipos naturais de defeitos de processamento:falta de fusão e buraco de fechadura. O primeiro ocorre quando não há energia suficiente para derreter completamente o leito de pó de metal; defeitos de buraco de fechadura acontecem quando a densidade de energia excessiva forma uma instabilidade dinâmica de fluido no leito de pó fundido. À medida que a densidade de energia se desvia acima ou abaixo dos níveis ideais, a quantidade e o tamanho dos defeitos aumentam.

Storck, junto com os co-autores de REDD Timothy Montalbano, Salahudin Nimer, Christopher Peitsch, Joe Sopcisak e Doug Trigg, e Brandi Briggs e Jay Waterman da Divisão de Aeronaves do Naval Air Warfare Center, Introduziu deliberadamente os dois tipos de defeitos nas amostras para determinar como eles influenciam as propriedades mecânicas das peças.

Os resultados mostraram que, embora grandes quantidades de cada tipo de defeito sejam desfavoráveis, é mais favorável estar no domínio do buraco da fechadura - em uma concentração semelhante de defeitos - do que na falta de domínio de fusão. A equipe também descobriu que o refinamento microestrutural em torno de um defeito do buraco da fechadura pode neutralizar o efeito de enfraquecimento do defeito. Mesmo até 4-5% de porosidade no domínio do buraco da fechadura resulta no mesmo limite de elasticidade que uma peça com porosidade insignificante, uma métrica-alvo que muitos engenheiros mecânicos usam para projetar peças.

"Modificamos as condições de processamento do laser para simular falhas naturais no processo e geramos três quantidades semelhantes de defeitos no buraco da fechadura e falta de domínios de fusão, "Storck explicou." Então, nós digitalizamos e quantificamos o material de cada condição de processamento usando tomografia computadorizada de raios-X para mapear o tamanho e distribuição do defeito, e comparou amostras contendo esses defeitos resultantes em testes de tensão monotônica para determinar o domínio de defeito preferido para uma determinada quantidade de defeitos. "

Esta pesquisa fez parte dos esforços contínuos da APL com o Comando de Sistemas Aéreos Navais para entender os efeitos dos defeitos na fabricação de aditivos. "Nossa pesquisa atual agora está usando essa descoberta combinada com o aprendizado de máquina para reescrever a forma como processamos materiais com fusão a laser, "Storck disse.

"Este trabalho é uma etapa crítica para estabelecer as bases para permitir a qualificação de peças AM no futuro, "acrescentou Morgan Trexler, que gerencia o programa de Ciência de Materiais Extremos e Multifuncionais de REDD. "Uma compreensão geral da influência dos efeitos das condições de processamento na microestrutura e nas propriedades resultantes de um material e componente fornecerá a base científica para permitir protocolos para a implementação segura de peças manufaturadas aditivamente."