In 3D kim loại tiết kiệm năng lượng với công nghệ lắng đọng cộng hưởng
Reverb Industrial, một công ty phát triển công nghệ sản xuất tiên tiến có trụ sở tại California, đã hợp tác với Đại học Bang Arizona để chứng minh một phương pháp in 3D kim loại mới, tránh bị nóng chảy và giảm đáng kể mức tiêu thụ điện năng. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí MDPI cho thấy công nghệ lắng đọng cộng hưởng (RAD) có thể chế tạo các linh kiện hợp kim nhôm dày đặc ở mức công suất máy chỉ từ 100 đến 300 watt. Trong khi đó, các hệ thống nung chảy bằng bột laser thường hoạt động ở mức 10 đến 20 kilowatt, tiêu thụ 300–500 megajoule trên mỗi kilogam hợp kim nhôm được xử lý, tương đương khoảng 1 megajoule trên mỗi centimet khối.
RAD dựa trên hiện tượng biến dạng dao động tần số cao làm giảm ứng suất chảy biểu kiến của kim loại và tăng cường sự khuếch tán qua các bề mặt tiếp xúc. Trên thực tế, hệ thống đã áp dụng các rung động ở tần số 40 kilohertz với biên độ dưới vài chục micromet trong quá trình lắng đọng. Mỗi chu kỳ định hình một đoạn dây nguyên liệu thành một voxel dẹt, đồng thời thúc đẩy sự khuếch tán nguyên tử với vật liệu lân cận. Những hiệu ứng kết hợp này cho phép định hình và ghép nối mà không cần gia nhiệt, cho phép nhóm nghiên cứu in các cấu trúc nhôm 6061 dạng lưới. Các thành phần bao gồm các mẫu có thành mỏng với tỷ lệ khung hình cao, thường là thách thức đối với các kỹ thuật dựa trên phản ứng tổng hợp. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng biến dạng dao động có thể hiệu quả hơn khoảng 30 lần so với gia nhiệt trong việc giảm ứng suất chảy, và hiệu ứng này được khuếch đại trong các hệ thống thực tế, nơi tổn thất truyền nhiệt làm giảm hiệu suất hơn nữa.
Ảnh TEM trường sáng của giao diện của Al nguyên chất và Ni nguyên chất được ghép nối bằng kỹ thuật RAD. Ảnh qua MDPI.
Các nhà nghiên cứu đã xây dựng một nền tảng chuyển động ba trục, trong đó tấm in di chuyển theo mặt phẳng X–Y và đầu in di chuyển theo hướng Z. Dây nguyên liệu nhôm 6061-O có đường kính 0,35 mm, do Công ty California Fine Wire cung cấp, được đưa qua một công cụ truyền biến dạng cắt rỗng được gắn vào một bộ chuyển đổi áp điện. Nguyên liệu đầu vào có độ bền kéo 140 megapascal và độ giãn dài 17,1%. Trong mỗi chu kỳ nén, dây được định hình thành một voxel tại vị trí lắng đọng, với biến dạng dao động làm giảm ứng suất chảy và thúc đẩy liên kết. Dụng cụ được nâng lên, di chuyển sang ngang với bước nhảy 1 mm và lặp lại quá trình. Sự chồng chéo đường ray được thử nghiệm ở 0,6 và 0,7 mm để so sánh sự lấp đầy hoàn toàn so với sự chồng chéo không hoàn toàn. Đường chạy dao sử dụng hai thành ngoài với các mẫu lấp đầy ±45°, với các điều kiện chồng chéo xác định xem các lỗ rỗng vẫn còn hay đã lấp đầy hoàn toàn.
Kính hiển vi đã tiết lộ cơ chế ghép nối hoạt động như thế nào. Khi các voxel nhôm nguyên chất được lắng đọng trên niken, hình ảnh trường sáng cho thấy mật độ khuyết tật cao ở các vùng gần giao diện, bao gồm các đứt gãy xếp chồng. Những khuyết tật này làm tăng cường sự khuếch tán, tạo ra các vùng giao diện rộng từ 80 đến 140 nanomet. Các tính toán chỉ ra rằng sự khuếch tán ở quy mô này sẽ cần nhiệt độ từ 320 đến 420 °C nếu chỉ gây ra bởi nhiệt. Các phép đo nhiệt trong quá trình lắng đọng cho thấy nhiệt độ chỉ tăng từ 5 đến 10 °C, chứng minh rằng sự khuếch tán tăng cường đến từ biến dạng dao động chứ không phải do nóng chảy. Các đường quét quang phổ tán xạ năng lượng (EDS) trên giao diện Al-Ni đã xác nhận các gradient nồng độ được tạo ra bởi cơ chế do khuyết tật này. Thiết lập này sử dụng điện áp tăng tốc 200 kilovolt và bước sóng 5 nanomet, cho phép đo định lượng sự khuếch tán của các nguyên tố. Các lớp oxit tự nhiên bị phá vỡ trong quá trình tiếp xúc ban đầu đôi khi bị giữ lại tại ranh giới, ảnh hưởng đến hành vi nứt vỡ sau này.
Chiến lược đường dẫn dụng cụ được sử dụng để in các thành phần. Hình ảnh qua MDPI.
Hiệu suất cơ học phản ánh các đặc điểm giao diện này. Các lần quét chụp cắt lớp vi tính của các chi tiết in cho thấy với sự chồng chéo đủ, mật độ đạt 99,95% vật liệu nguyên liệu. Các mẫu có khoảng cách giữa các rãnh 0,7 mm cho thấy các lỗ rỗng, trong khi các mẫu có khoảng cách 0,6 mm đạt được sự cố kết gần như hoàn toàn. Thử nghiệm kéo các mẫu coupon được in theo chiều ngang và chiều dọc, được thực hiện ở tốc độ 150 mm/phút, cho thấy độ bền kéo cực đại ở khoảng 75% dây nguyên liệu ủ. Nghiên cứu cho thấy độ dị hướng thấp về độ bền nhưng độ dị hướng cao hơn về độ giãn dài. Các mẫu coupon thẳng đứng bị gãy giòn dọc theo các giao diện nơi các oxit bị giữ lại, trong khi các mẫu nằm ngang cho thấy tính dẻo hơn. Hình ảnh bề mặt gãy cho thấy biến dạng dẻo đáng kể ở các vùng xen kẽ nhưng bị tách giòn ở các vùng giàu oxit. Các thử nghiệm độ nhám bề mặt cho thấy giá trị Ra của lớp trên cùng là 10–20 micromet, trong khi các thành bên đo được 15–25 micromet Ra. Hình dạng vỏ sò dọc theo các bề mặt thẳng đứng giống với các hoa văn thường thấy trong in đùn polymer.
Dữ liệu tiêu thụ năng lượng nhấn mạnh sự tương phản với các phương pháp thông thường. Ở cấp độ voxel, RAD yêu cầu
3,79 × 10⁻⁴ joule trên milimét khối để tạo hình và ghép nối. Quá trình tổng hợp bột laser thường tiêu thụ khoảng 100 joule trên milimét khối, chênh lệch năm bậc độ lớn. Ở quy mô máy móc, nền tảng RAD tiêu thụ từ 100 đến 300 watt tùy thuộc vào điều kiện vận hành, ngay cả khi sử dụng gia nhiệt tấm xây dựng để ủ trong quá trình. Ngược lại, các hệ thống laser và chùm tia điện tử tiêu thụ hàng chục kilowatt. Các quy trình tổng hợp thông thường mất hiệu suất ở một số giai đoạn, bao gồm chuyển đổi điện sang quang, hấp thụ năng lượng laser và truyền nhiệt sang vật liệu xung quanh. Gia nhiệt ký sinh làm tăng thêm mức tiêu thụ điện năng vì phải tiêu tán thêm năng lượng để duy trì hiệu suất laser. Trong RAD, năng lượng biến dạng cơ học được kết hợp trực tiếp vào mạng tinh thể, tránh được những điểm kém hiệu quả này và giảm nhu cầu cấp hệ thống từ mười đến một trăm lần.
Giá trị độ bền kéo cực đại (UTS) và độ giãn dài của các phiếu thử nghiệm theo chiều ngang và chiều dọc. Hình ảnh từ MDPI.
Reverb Industrial và Đại học Bang Arizona giới thiệu RAD như một hướng đi riêng biệt cho sản xuất bồi đắp. Bằng cách định hình và nối dây kim loại mà không cần nung chảy, phương pháp này tránh được các vấn đề thường gặp như biến thiên độ hấp thụ, độ không ổn định của vũng nóng chảy và độ dốc nhiệt cao. Mặc dù độ giãn dài theo hướng tạo hình vẫn còn hạn chế do sự kẹt oxit ở ranh giới giữa các lớp, quy trình này cho thấy mật độ cao, độ bền đáng kể và hiệu suất năng lượng vượt trội.
