01
מבוא נייר
ייצור תוספים בלייזר גורם לרוב לגרגרים גסים עקב שיפוע טמפרטורה גבוה. סיוע על-קולי מסוג -מגע מסורתי יכול לעדן גרגרים, אך עומד בפני שני אתגרים עיקריים: ראשית, האנרגיה הקולית פוחתת ככל שגובה ההדפסה עולה, מה שמוביל לגרגרים גסים בחלק העליון של רכיבים גדולים; שנית, אולטרסאונד בעוצמה גבוהה- יכול לגרום להשפעות של קוויטציה שיוצרות בקלות פגמים בנקבוביות.
צוות מחקר מאוניברסיטת Northwestern Polytechnical הציע טכנולוגיה קולית ללא-מגע, המשלבת את המכשיר האולטראסוני עם הזרבובית ומכניסה אולטרסאונד דרך מדיום אוויר. שיטה זו שוברת את האמונה המסורתית ש"עידון התבואה חייב להסתמך על קוויטציה", תוך ניצול אפקטים של זרימה אקוסטית טהורה כדי להשיג מבני גרגרים עדינים שווי-צירים צפופים באופן אחיד לאורך כל הגובה של דגימות גדולות של Inconel 718 ו-316L, תוך שיפור משמעותי בחוזק ומתן מענה לאתגר התעשייה של מבנים לא אחידים ברכיבים גדולים.
02
סקירה כללית
מחקר זה נועד להתמודד עם צווארי הבקבוק של מיקרו-מבנה לא אחיד ורגישות לפגמים בייצור תוספים בסיוע אולטרסאונד-. צוות המחקר פיתח מערכת אולטרסאונד ללא מגע-, הנעה עם ראש הלייזר, ומבטיחה כי בריכת ההיתוך מקבלת קלט אנרגיה קבוע מתחת לסף הקוויטציה.
ניסויים מראים כי אולטרסאונד מגע מסורתי נכשל כאשר גובה ההדפסה עולה על 15 מ"מ, בעוד שהטכנולוגיה החדשה שומרת על גרגירים עדינים אחידים בגובה של 100 מ"מ, ללא פגמים ב-cavitation. מחקרים מכאניסטיים מצביעים על כך שאולטרסאונד בעצימות-נמוכה משרה זרימת תנודות בתדירות גבוהה (זרימה אקוסטית) בבריכת ההיתוך, מה שגורם לזרועות הדנדריטים הגדלות לעבור שבר עייפות וליצור גרעינים חדשים, ובכך לעדן את הגרגרים. תגלית זו מתקנת את ההבנה החד-צדדית של הקהילה האקדמית- במנגנון חידוד גרגירי האולטרסאונד, ומספקת גישה חדשה אוניברסלית ואמינה לייצור תוספים מתכת בעלי ביצועים גבוהים{{7}.
03
ניתוח מאויר
איור 1 מספק השוואה ישירה של שתי הגישות הטכניות. איור (א) מציג את מצב ללא-מגע המוצע במחקר זה, שבו המתמר האולטראסוני נע עם הזרבובית כדי להבטיח קלט אנרגיה קבוע; איור (ב) מתאר את מצב המגע המסורתי, שבו אולטרסאונד מועבר דרך המצע. מתוצאות ה-EBSD של דגימות בגודל- גדולות (f-h), ניתן לראות ששיטת המגע (h) נכשלת בחלק העליון של המדגם, עם גרגירים מתגבשים למבנים עמודים; בעוד ששיטת ללא-מגע (ו) שומרת על גרגירים עדינים שוות-צירים אחידים לאורך כל גובה 100 המ"מ. בנוסף, נתוני הביצועים המכניים באיורים (i-k) מצביעים על כך ששיטת ללא-מגע (LU) לא רק משפרת את החוזק באופן משמעותי אלא גם מציגה פיזור נתונים נמוך מאוד, מה שממחיש את המהימנות הגבוהה של התהליך.
איור 2 מדגיש את היתרונות של אולטרסאונד בעוצמה נמוכה-בבקרת פגמים. המורפולוגיה של חיפוי מסילה בודדת- באיור (a-i) מראה שכאשר עוצמת האולטרסאונד עולה לטווח גבוה, מסלולי ההיתוך מפגינים בליטה חמורה, בורות ואפילו אי-רציפות (i), הנגרמות כתוצאה מקריסה אלימה של בועות קוויטציה. לעומת זאת, למסלולי נמס שטופלו באולטרסאונד-בעצימות נמוכה (b-e) יש משטחים חלקים ומתמשכים, דומה למצב ללא אולטרסאונד. תוצאות סריקת CT (k-p) מכמתות עוד יותר את הנקבוביות; אולטרסאונד בעוצמה גבוהה-מוביל לעלייה בנקבוביות, בעוד שהאולטרסאונד בעוצמה-נמוכה המשמש במחקר זה בקושי מגביר את הנקבוביות, מה שמבטיח צפיפות גבוהה של החלקים המודפסים.
04
תַקצִיר
1. הציע ויישם בהצלחה טכנולוגיית ייצור תוסף לייזר ללא-מגע-בעוצמה נמוכה-למגע, ולמעשה הימנעות משתי הבעיות העיקריות של טכניקות אולטרה-קוליות-מגע בעוצמה גבוהה-לא אחידה של מיקרו-מבנה ופגמים פנימיים-כאשר מייצרים חלקי מתכת גדולים;
2. באמצעות מחקר מכניסטי, תיקן את ההבנה המסורתית-חד-צדדית באקדמיה בנוגע למנגנוני חידוד גרגרים קוליים, תוך הדגמה של אפקט הזרימה האקוסטי הטהור, שבו זרימות תנודות בתדירות גבוהה-ת גורמת לשבר עייפות בדנדריטים, ומשיגה עידון והומוגניות משמעותיות של גרגרים;
3. טכנולוגיה זו מספקת פתרון כללי-גבוהים ועקבי במיוחד לייצור תוסף של מתכות שונות כגון Inconel 718 ו-316L;
4. תוצאות המחקר הן לא רק בעלות ערך מעשי בתחום הייצור התוסף, אלא גם מספקות יסודות תיאורטיים חשובים והנחיית תהליכים לטכנולוגיות עיבוד אחרות הכוללות התמצקות בריכות מותכות, כגון ריתוך וחיפוי.
