Stipendiatstilling 14 SINTEF (2021-2023)

Prosjektet innebærer utvikling av en metode for akselerert utvikling av nye metaller for bruk i pulverbasert additiv tilvirkningsmetoder. Metoden består av en kombinasjon mellom modellering og eksperimentelt arbeid. Delen med modellering består av å simulere størkning ved høye temperaturgradienter for å finne mulige materialkandidater. Lovende legeringer blir deretter prosessert ved bruk av Arc Melting, en prosess med lignende prosessbetingelser som additiv tilvirkning, men med mulighet for billig og hurtig undersøkning av ett større antall kandidater. Mikrostrukturen i legeringene blir videre undersøkt ved optiske mikroskoper og/eller elektronmikroskoper for å få informasjon om den størknede strukturen og dens egenskaper. Metoden er brukt på flere aluminiumslegeringer der det er beregnet ved hvilken temperaturgradient og størkningsrate overgangen fra kolumnær til ekviakset (CET) dendritt vekst forekommer. Fra disse resultatene er utvalgte legeringer smeltet ved bruk av Arc Melting og optiske bilder er analysert med en bildeanalysealgoritme for å finne kornstørrelsen til den størknede strukturen. En prosessmodell er utviklet til å koble materialaspektet ved den karakteristiske kolumnær til ekviakset overgangen for et material med prosessparametere som brukes i pulver additiv tilvirkning. Modellen er testet for enkle legeringer og eksperimentelt arbeid som kobles til modellen er utført. Å koble disse to modellene muliggjør en rask metode for å finne prosessparametere for et material der ekviakset mikrostruktur er favorisert og som et resultat raffinerer mikrostrukturen og kan løse problemer med sprekkdannelse under hurtig størkning. Eksperimentelle resultater fokuserer på smeltebadets form og størrelse for hver prosessparameter samt undersøkelser av mikrostrukturen som dannes. Rammeverket er også utført på aluminiumslegeringer med tilskudd av nanopartikler for kornforfining. Legeringen med nanopartikler ble først smeltet med Arc Melter og fra resultatene ble de mest lovende legeringene valgt for faktisk 3D printing. Resultatene fra 3D printet komposisjoner gav bedre innblikk i områder som kunne forbedres i produksjonsprosessen. Målet er skape ett rammeverk for å effektivt undersøke ett større antall legeringer ved å dekke mange materialsammensetninger og velge dem som viser best resultat og derav eliminere dårlige kandidater i ett tidlig stadium av materialutviklingen.

Prosjektet har bidratt til utformingen av et eksperimentelt rammeverk som akselererer utviklingen av materialer og prosessparametre for pulverbasert additiv tilvirkning av aluminium. Eksperimentelle data har gitt basis for utvikling av mikrostruktur og prosessmodeller. Verktøyene er nyttig for videre utvikling av pulverbasert additiv tilvirkning som er en raskt fremvoksende teknologi med stort potensiale og flere bruksområder.