Исследователи из Университета штата Вашингтон (WSU) в США создали гибридную установку, которая производит детали из пары разнородных металлов с помощью точного компьютерного программирования и двух сварочных головок. При этом установка включает в себя недорогие и широко доступные элементы, открывая производителям и ремонтным мастерским новые возможности, сообщает портал TechXplore. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Взяв в качестве примера структурной сложности такие природные материалы с многослойными кольцами, как дерево и кость, инженеры Университета штата Вашингтон создали способ 3D-печати двух типов стали в одном круговом слое с использованием двух сварочных аппаратов. Полученный биметаллический материал оказался на 33-42% прочнее любого металла по отдельности, отчасти благодаря давлению, возникающему между металлами при их совместном охлаждении.
В новом методе используются обычные, относительно недорогие инструменты, поэтому производители и даже небольшие ремонтные мастерские могут широко внедрить его в самое ближайшее время. При дальнейшем развитии методику «биметаллической» сварки потенциально можно будет использовать для изготовления высокопроизводительных медицинских имплантатов или даже деталей для космических аппаратов, сказал профессор Колледжа машиностроения и материаловедения WSU Амит Бандйопадхьяй, старший автор исследования, опубликованного в журнале Nature Communications.
«Метод имеет очень широкое применение, потому что любое место, где выполняются любые виды сварки, теперь может расширить свои возможности, а также использовать технические решения, в которых смогут одновременно сочетаться очень твердый и мягкий материалы», – добавил Бандйопадхьяй.
В демонстрации нового метода 3D-печати, проведенной исследователями WSU, две сварочные головки работали одна за другой на круглом слое, чтобы пропечатать два металла, каждый из которых имел свои преимущества по отдельным свойствам.
В конечном итоге стойкий к коррозии сердечник из нержавеющей стали был создан внутри внешнего кожуха из более дешевой «мягкой» стали, подобной той, что используется на железных дорогах. Поскольку эти металлы при охлаждении сжимаются с разной скоростью, создается внутреннее давление, которое, по сути, сжимает металлы вместе. Испытания изготовленной таким способом детали показали большую прочность, чем нержавеющая сталь или мягкая сталь сами по себе.
Следует учитывать, что в настоящее время процесс 3D-печати несколькими различными металлами в сварочной установке требует остановки и замены металлических проволок. Новый метод устраняет эту паузу и помещает два (или более) вида металлов в один и тот же слой, пока металлы еще горячие.
«Этот метод наносит металлы по кругу, а не только по линии. Таким образом, он принципиально отходит от того, что было возможно. Движение по кругу, по сути, позволяет одному материалу плотно прилегать к другому материалу, чего не может произойти при печати по прямой линии или слоями, расположенными между ними», – отметил Лайл Сквайрс, докторант машиностроения WSU и первый автор исследования.
Возможность упрочнять металлические детали, напечатанные на 3D-принтере, слой за слоем, вскоре может дать новые возможности сервисным компаниям для быстрого создания прочных стальных деталей по индивидуальному заказу. Например, прямо в магазине автомобильных запчастей или в автосервисе могут быть отпечатаны биметаллические осевые валы, устойчивые к крутящему моменту, или экономичные высокоэффективные тормозные роторы.
В будущем исследователи видят потенциал своей методики также и для медицинских производственных процессов, в которых, например, заменители суставов смогут печататься прочным титаном снаружи и дополнительным внутренним материалом, , обладающим целебными свойствами, таким как магнитная сталь.
Точно так же конструкции, предназначенные для работы в космосе, могут иметь устойчивый к высоким температурам материал, окружающий специальный внутренний материал с охлаждающими свойствами, чтобы помочь конструкции поддерживать постоянную температуру.
«В текущей концепции печатают две сварочные головки, поэтому мы можем использовать несколько материалов в одном и том же слое, создавая преимущества при их сочетании», – прокомментировал Бандйопадхьяй. «И мы не намерены останавливаться только на двух материалах. Их диапазон может быть расширен».