Multi-material powder feeding through a dual-channel coaxial nozzle for laser metal deposition: Numerical simulation and experimental study

Stel je een wereld voor waarin één enkele machine een onderdeel kan maken dat aan de buitenkant hard en slijtvast is, maar aan de binnenkant taai en flexibel, allemaal in één continu proces. Dit is de belofte van een technologie genaamd laser metal deposition (laser metaaldepositie). In dit proces doet een krachtige laser gesmolten metaalpoeder smelten terwijl het in een kleine plas gesmolten metaal wordt geblazen, waarbij een component laag voor laag wordt opgebouwd direct vanuit een digitaal ontwerp. Jarenlang hebben ingenieurs deze methode gebruikt om onderdelen te maken van één enkel type metaal. De echte wereld is echter zelden zo eenvoudig. Een turbineblad moet bijvoorbeeld extreme hitte kunnen weerstaan aan de punt, terwijl het flexibel moet blijven bij de basis; een medisch implantaat kan een oppervlak nodig hebben dat goed hecht aan bot, maar een kern die zware belastingen kan ondersteunen. Om aan deze behoeften te voldoen, hebben wetenschappers lang geprobeerd om verschillende metalen te mengen tijdens het printproces. De uitdaging is altijd controle geweest: hoe meng je twee verschillende poeders zo perfect dat ze onmiddellijk en gelijkmatig mengen voordat ze smelten, zonder dat één type poeder uit koers vliegt of samenklontert?

Een team onderzoekers aan de Nanchang Universiteit in China heeft dit probleem aangepakt door een nieuw soort nozzle (mondstuk) te ontwerpen, het apparaat dat het metaalpoeder naar de laserstraal leidt. In plaats van de poeders samen in een trechter te mengen voordat ze de machine ingaan, houdt hun nieuwe ontwerp de twee verschillende poeders gescheiden tot het allerlaatste moment. Ze bouwden een coaxiale dubbelkanaal-nozzle, wat in essentie een buis binnen een buis betekent. De binnenste buis voert één type metaalpoeder aan, terwijl de buitenste ring een ander type metaal aanvoert. Beide stromen worden gelijktijdig in dezelfde richting afgevuurd. Het doel was om te zien of deze twee afzonderlijke stromen, die van nature verschillend gedrag vertonen vanwege hun gewicht en vorm, gedwongen konden worden om te convergeren en uniform te mengen vlak voordat ze het gesmolten metaal raken.

Om te bepalen wat de beste manier is om deze nozzle te bouwen, wendden de onderzoekers zich eerst tot computersimulaties. Ze maakten een virtueel model van de gas- en poederstroom om te testen hoe verschillende vormen en hoeken de stromen zouden beïnvloeden. Ze ontdekten dat de grootte van de buizen en de hoek waaronder ze wijzen cruciaal zijn. Als de buizen te breed zijn, verspreidt het poeder zich te veel en verliest het zijn focus. Als de hoeken niet kloppen, kunnen de twee stromen elkaar missen of op verschillende afstanden samenkomen, wat leidt tot een rommelige mix. Door middel van deze simulaties bepaalden zij dat het binnenkanaal onder een hoek van 70 graden moet staan en het buitenkanaal onder een hoek van 60 graden, met beide buizen een diameter van 0,8 millimeter. Ze berekenden ook dat de uitgang van de binnenbuis 3 millimeter van het centrum van de nozzle verwijderd moet zijn, en de buitenbuis slechts 1 millimeter van de binnenbuis af moet liggen. Deze specifieke afmetingen, zo ontdekten zij, zouden het meest compacte, meest gefocuste punt creëren waar de twee poeders elkaar ontmoeten.

Zodra het computermodel geoptimaliseerd was, bouwde het team een fysiek prototype van de nozzle en onderwierp deze aan een test. Ze kozen drie zeer verschillende metalen om te zien of het ontwerp de uitdaging aankon: een titaniumlegering bekend als TC4, molybdeen en koper. Deze materialen variëren aanzienlijk in dichtheid en vorm. De titanium- en molybdeenpoeders waren bijna perfecte bollen, terwijl het koperpoeder onregelmatig en grillig was. Met behulp van hogesnelheidscamera's keken de onderzoekers hoe de poeders uit de nozzle vlogen. De beelden lieten zien dat, ondanks hun verschillen, de twee poederstromen samen reisden en elkaar op exact hetzelfde punt in de ruimte ontmoetten. Wanneer ze de titanium- en koperpoeders mengden, stelde de verschillende kleur van de metalen hen in staat om de menging in realtime te zien. Het zilvergrijze titanium en het roodbruine koper mengden zich naadloos op het convergentiepunt, zonder tekenen dat het ene metaal over het andere heen lag of dat ze in aparte hopen klonterden.

Om te bewijzen dat deze menging werkte in een echte productieomgeving, gebruikten de onderzoekers de nozzle om een proefstuk te bouwen. Ze voerden de titaniumlegering door het binnenkanaal en het molybdeen door het buitenkanaal, waardoor ze een enkel spoor creëerden dat tien lagen hoog was. Nadat het onderdeel was gebouwd, sneden ze het open en onderzochten ze de doorsnede onder een microscoop. De resultaten waren duidelijk: het molybdeen was gelijkmatig verdeeld door de gehele structuur, net als het titanium. Er waren geen donkere of heldere plekken die erop wezen dat één metaal naar de bodem was gezakt of naar de bovenkant was gestegen. Dit bevestigde dat de poeders grondig in de lucht waren gemengd voordat ze smolten, waardoor een uniforme blend van twee zeer verschillende materialen ontstond.

De studie toont aan dat het, door de baan van de poederstromen zorgvuldig te ontwerpen, mogelijk is om verschillende metalen naar een laserstraal te leveren en een perfecte mix te bereiken zonder ze vooraf te mengen. Deze aanpak biedt een nieuw niveau van controle voor het creëren van complexe componenten met op maat gemaakte eigenschappen. De onderzoekers lieten zien dat met de juiste geometrie van de nozzle, de natuurlijke verschillen tussen zware, lichte, ronde of grillige poeders geen barrière hoeven te zijn. In plaats daarvan kunnen ze worden beheerst om een consistente, hoogwaardige materiaalkwaliteit te produceren die de beste eigenschappen van hun ingrediënten combineert, wat de deur opent naar meer geavanceerde en aanpasbare metalen onderdelen in de toekomst.