Korkean lämpötilan alumiiniseosten tulostus

Abstract

Metallien 3D-tulostus on viime vuosien aikana kehittynyt valmistusmenetelmä, jossa erityisiä hyötyjä ovat menetelmän nopeus, tuotettavien muotojen kompleksisuus sekä vähäisempi materiaalihukka. Alumiinin tulostamiselle on kysyntää alumiinin korkean ominaislujuuden sekä esimerkiksi hyvän korroosionkeston takia. Alumiinin tulostamisessa ongelmia aiheuttaa kuitenkin laserin huono absorptio ja alumiinin korkea taipumus hapettua. Tulostettuun alumiiniin muodostuu helposti huokosia ja halkeamia. Tämän lisäksi alumiinin mekaaniset ominaisuudet heikkenevät merkittävästi lämpötilan noustessa, mikä rajoittaa käyttökohteita.

Tässä työssä etsitään kirjallisuuden avulla ratkaisuja alumiinin tulostettavuuden parantamiseen sekä keinoja saavuttaa hyvät mekaaniset ominaisuudet myös korotetuissa lämpötiloissa. Yleisesti ratkaisu on seostaa alumiinin joukkoon jotain muuta metallia tai keraamia, jotta saavutetaan parempi tulostettavuus ja vältytään mekaanisten ominaisuuksien heikkenemisestä lämpötilan noustessa. Seoksen löytämisen lisäksi tulostusvaiheessa on tärkeä optimoida tulostusparametrit, jotta tuloste olisi mahdollisimman tasalaatuinen.

Kokeellisesti työssä tutkitaan single track -testillä puhtaan alumiinin reagointia tulostimen laseriin. Testissä mitataan syntyvän sula-alueen koko ja vertaillaan eri suuruisten lasertehojen vaikutusta siihen. Lasertehon vaikutus sula-alueen kokoon on lähes lineaarinen, ja tehon nostaminen parantaa tulostettavuutta.

Tämän lisäksi tulostetaan kahdeksan alumiinirautaseosta, joissa raudan osuus sekä laserteho vaihtelevat. Tulostetuista näytteistä tutkitaan mikrorakennetta sekä kovuutta. Kokeellisen osuuden perusteella voidaan sanoa alumiinirautaseoksen tulostaminen olevan mahdollista, mutta se vaatii lisäkehitystä. Noin 3% rautaa sisältävän näytteen mikrorakenne on tutkituista näytteistä tasalaatuisin ja silloin säröily on vähäisintä. Näytteessä esiintyy kuitenkin huokoisuutta.

Rautaosuuden kasvaessa säröjä muodostuu enemmän ja faasit erottuivat selkeästi toisistaan, eikä muodostunut rakenne ole homogeeninen. Rauta ei sekoitu alumiiniin tasaisesti vaan kerääntyy satunnaisiin kohtiin, jolloin myös kovuus vaihtele materiaalin sisällä reilusti. Kun rautaa on enemmän, muodostuu kova alumiinin ja raudan yhdessä muodostama faasi. Faasin epätasainen jakautuminen, ja siten suuret kovuusvaihtelut materiaalin sisällä, vaikeuttavat seoksen käyttöä. Alumiinirautafaasin, ja sen kovuuden, hyödyntäminen sovelluskohteissa vaatisi materiaalien paremman sekoittumisen toisiinsa.