Esquemas de la estrategia de escaneo utilizada para obtener (a) CLM y (e) textura similar a SC. (b, f) mapas de la figura del polo inverso (IPF) y (c, g) 001 figuras del polo que representan la textura resultante, junto con (d, h) ilustraciones de orientación cristalográfica preferencial en el producto. El color del mapa de IPF corresponde a la orientación cristalográfica proyectada en el BD. Las flechas en la figura del polo (c) indican la intensidad derivada de la orientación cristalina de la subcapa. Crédito: Cartas de investigación de materiales (2025). Doi: 10.1080/21663831.2025.2522801
Un grupo de investigación realizó un análisis individual cuantitativo sobre la contribución a la resistencia de las estructuras lamellares cristalográficas a escala micrométrica y las estructuras celulares del tamaño de un tamaño nanómetro que se forman espontáneamente, jerárquicamente y específicamente por la tecnología de impresión 3D metal, y reveló que la estructura celular (interros de células especiales) es un factor que resulta sobre un fortalecimiento extremadamente significativo.
Su papel, “Efectos de fortalecimiento notables de las células en el láser láser en el lecho de polvo procesado con fusión sinel 718“fue publicado en Materials Research Letters.
Para aclarar las contribuciones individualmente, el grupo de investigación, incluido Taichi Kikukawa (Curso de Maestría), el profesor especialmente designado Takuya Ishimoto, y el profesor Takayoshi Nakano de la Escuela de Ingeniería Graduada de la Universidad de Osaka estableció un método para eliminar independientemente la estructura celular mediante el tratamiento del calor y la estructura de los lamlares por un diseño de escaneo único.
Como resultado, mientras que la presencia de la estructura laminar aumentó la resistencia en un pequeño porcentaje, la estructura celular aumentó la resistencia en un 40% (1,4 veces), revelando el efecto de fortalecimiento extremadamente alto de la estructura celular.
Se espera que el efecto de fortalecimiento de la estructura celular descubierta en este estudio, combinada con el mecanismo de fortalecimiento y la anisotropía de resistencia que se ha aclarado hasta ahora en los materiales de impresión 3D, así como la funcionalidad basada en la forma en la que la impresión 3D se desprende de la impresión 3D, rompa las limitaciones de las funciones mecánicas mecánicas y expanden en gran medida el alcance del control mecánico de la función de la artificialmente personalizada.
La tecnología de impresión 3D de metal ha atraído la atención como tecnología que puede crear productos con formas flexibles basadas en datos 3D. Por otro lado, se ha informado que varias aleaciones creadas por el método LPBF tienen mayor resistencia que las aleaciones creadas por métodos convencionales como la fundición, y hay un creciente interés en todo el mundo en sus propiedades materiales.
En este contexto, existe la demanda de aclarar y controlar las propiedades y características de los factores de fortalecimiento para aumentar la resistencia de las aleaciones y el diseño flexible de la resistencia.
Sin embargo, dado que múltiples estructuras únicas coexisten a varias escalas dentro de los objetos creados por la impresión 3D de metal, es difícil aislar el fortalecimiento causado por cada estructura única, y la identificación cuantitativa de los factores de fortalecimiento no se ha realizado.
En 2021, el grupo de investigación hizo el uso completo de la tecnología de control de la estructura artificial en la impresión 3D de metal que han desarrollado, y logró obtener el primer objeto moldeado del mundo que consiste en una estructura lamellar cristalográfica a escala micrométrica y una estructura celular de tamaño nanómetro en IN718.
Luego se les ocurrió la idea de que si la presencia/ausencia de la estructura laminar cristalográfica y la estructura celular se controlaran independientemente, sería posible aislar sus contribuciones al fortalecimiento.
El grupo de investigación intentó eliminar tanto la estructura laminar cristalográfica como la estructura celular. La estructura lamellar cristalográfica se eliminó mediante el diseño de una nueva estrategia de escaneo. Esta estructura tiene dos áreas en forma de placa con diferentes orientaciones de cristal que se superponen en una dirección.
El más grueso con <011> frente a la dirección de construcción se llama la capa principal, y la más delgada con <001> Frente a la dirección de construcción se llama subcapa. Los dos están dispuestos con un intervalo de aproximadamente 100 μm. Esta estructura laminar se forma cuando los granos de cristal que crecen en el <001> La dirección nace del fondo central de la piscina de fusión, y la subcapa se inserta entre las capas principales.
En la parte inferior central de la piscina de fusión, un flujo de calor ocurre verticalmente hacia abajo, lo que facilita <001> Para crecer en la dirección de construcción, que es la dirección antiparalela (es decir, es fácil de formar una sub capa).
En la estrategia de escaneo recientemente diseñada, los investigadores lograron inhibir esto <001> crecimiento y borrado de la <001>-La subcapa orientada cambiando el tono entre capas en la mitad de un intervalo. Como resultado, obtuvieron un solo cristal con la misma orientación de cristal que la capa principal (<011> orientado en la dirección de construcción).
La estructura celular es una estructura de solidificación similar a la red formada como resultado de la solidificación ultra rapida en el método LPBF (la velocidad de enfriamiento durante la solidificación alcanza 107 k/s), y se caracteriza por la segregación (composición desigual) y la acumulación de dislocaciones.
Por lo tanto, la estructura celular se eliminó al encontrar condiciones precisas de tratamiento térmico que eliminan la composición desigual a través de la difusión, promueven el reordenamiento y la aniquilación de las dislocaciones, y suprimen el crecimiento y la recristalización del grano que causan cambios en la textura de cristal.
Como resultado, se prepararon cuatro tipos de muestras combinando la presencia o ausencia de una estructura laminar y la presencia o ausencia de una estructura celular.
Se realizaron pruebas de compresión y se reveló que la estructura laminar contribuyó a un aumento en la resistencia (resistencia al rendimiento: el estrés en el que el material comienza a sufrir una deformación macroscópica permanente) del varios por ciento, mientras que la estructura celular contribuyó a un aumento de hasta el 40%.
Esto deja en claro que la estructura celular no es simplemente una estructura de solidificación que representa el estado apagado, sino un factor de fortalecimiento que provoca una mejora dramática en la fuerza que es exclusiva de los materiales LPBF.
En el futuro, se espera que la estructura celular se utilice activamente en el diseño de funciones mecánicas y un mayor fortalecimiento de las aleaciones.
Además, los efectos de la estructura laminar se pueden hacer evidente cambiando la dirección de la carga, por lo que es un factor de fortalecimiento importante que se puede introducir utilizando el método LPBF.
Aprovechando las características de la impresión 3D, como la alta flexibilidad de forma y menos piezas, la impresión 3D se considera como un reemplazo para varios productos.
Por otro lado, el conocimiento adquirido en este estudio sobre el fortalecimiento por estructuras celulares significa que el reemplazo con LPBF tiene el potencial de provocar no solo un cambio en el método de fabricación, sino también una mejora dramática en la función mecánica del producto y su peso ultra ligera.
Las estructuras celulares aparecen en muchos sistemas de aleación durante el proceso LPBF en función de la distribución de concentración durante la solidificación.
En otras palabras, dado que este resultado se puede aplicar a varios materiales de aleación que componen productos de infraestructura social, los investigadores esperan que los efectos de este resultado se extiendan a una gama extremadamente amplia de campos industriales.
Además, dado que la aclaración de las funciones y el control artificial de los materiales metálicos impresos en 3D requiere la construcción de nuevas teorías, como la aclaración del mecanismo de formación de estructuras específicas, el mecanismo de fortalecimiento y el método de control de estructuras específicas, este resultado también es de gran importancia académica.
Más información: Taichi Kikukawa et al, Efectos de fortalecimiento notables de las células en el láser en polvo Procedido por fusión Inconel 718, Materials Research Letters (2025). Doi: 10.1080/21663831.2025.2522801
Proporcionado por la Universidad de Osaka
Cita: El estudio cuantifica cómo las estructuras celulares mejoran la resistencia en metales impresos en 3D (2025, 8 de julio) Recuperado el 8 de julio de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-07- Quantifies–Celular-Strength-3d-Metals.html
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