Znanstvenici na Sveučilištu Aston pokrenuli su projekt razvoja matematičkog modela kako bi poboljšali proces lijevanja tekućeg metala. Cilj je spriječiti brzu oksidaciju laganih legura aluminija kad su prvi put izložene zraku.

Znanstvenici u Velikoj Britaniji vjeruju da bi bolje razumijevanje ovog procesa moglo poboljšati postupak 3D printanja s laganim metalima.

Ovo istraživanje će biti financirano s potporom od 80.000 funti od strane Vijeća za istraživanje inženjerskih i fizikalnih znanosti (EPSRC), a vodi ga dr. Paul Griffiths, viši predavač primijenjene matematike sa Sveučilišta u College of Engineering and Physical Sciences.

Počevši od travnja 2024., ovaj projekt trajat će 12 mjeseci pod nazivom “Razvoj točnog modela površinske reologije za neniutonske tekućine” i provodit će se u suradnji s Grenoble Institute of Technology (INP) sa sjedištem u Francuskoj.

“Cilj ovog istraživanja je razviti matematički model koji točno opisuje dvosmjernu interakciju između tekućeg metala i sloja oksida iznad njega, pri čemu potonji djeluje kao neniutonsko sučelje tekućina/plin” – pojasnio je dr. Griffiths.

Poboljšanje lijevanja tekućeg metala pomoću matematike

Trenutno se u industriji prijevoza tradicionalni metali poput čelika zamjenjuju lakšim legurama. Jedna od ključnih prednosti ovog prijelaza s čelika je činjenica da takve legure ne hrđaju. Međutim, lagane legure brzo oksidiraju kad su prvi put izložene okolišnim uvjetima. To negativno utječe na njihovu kvalitetu i životni vijek, ograničavajući njihovu upotrebu u industrijskim proizvodnim primjenama.

Kako bi prevladali ove izazove, istraživački tim će se fokusirati na tanki oksidni film koji se razvija na legurama. Iako ti filmovi djeluju kao sloj zaštite od vanjskih uvjeta, pomažući u zaštiti od korozije, oni predstavljaju probleme. Tijekom procesa lijevanja, kada je aluminij u tekućem stanju, tanki oksidni filmovi mogu postati inkapsulirani u protok tekućeg metala. Ovaj proces inkapsulacije može se dogoditi mnogo puta i dovodi do ugrađivanja oksidnih filmova u konačni proizvod, smanjujući kvalitetu i umor života lijevanih dijelova.

Prema istraživačima, stjecanje većeg razumijevanja kako kontrolirati ovaj proces oksidacije pomoći će u smanjenju troškova povezanih s proizvodnim ciklusom. Istraživači tvrde da će to rezultirati većom potražnjom za laganim legurama te smanjenjem emisija stakleničkih plinova, s obzirom na to da je potrebno manje energije za transport lakšeg proizvoda.

Konačni cilj ovog projekta je razviti matematički model koji je sposoban precizno opisati dinamiku između protoka tekućeg metala i oksidnog sloja, nešto što se ne može odrediti s pomoću trenutnih metoda.

“Cilj ovog projekta je opisati karakteristike površine – brzinu i profil smicanja – kao i važne učinke zakrivljenosti površine”, izjavio je dr. Griffiths. “Prednost prikladnijeg mehaničkog modela za oksidiranu površinu tekućeg metala doveo bi do boljeg razumijevanja procesa inkapsulacije koji utječe na leguru.”

Nadaju se da će rezultati pružiti nove uvide o tome kako kontrolirati ovaj proces oksidacije u praktičnom okruženju. Matematički model bit će potvrđen i verificiran u usporedbi s postojećim eksperimentalnim promatranjima.

Istraživanje u aditivnoj proizvodnji metala

Istraživanje poboljšanja aditivne proizvodnje metala nije ništa novo. Prošle godine, tim istraživača s više institucija, uključujući Nacionalni institut za standarde i tehnologiju (NIST) i Kraljevski institut tehnologije KTH u Švedskoj, objavio je proboj u razumijevanju kako brzina hlađenja utječe na svojstva metala tijekom laserskog spajanja praha u prahu (LPBF).

Znanstvenici su ranije imali poteškoća u proizvodnji metala s određenim, unaprijed određenim kristalnim strukturama. Kao rezultat toga, 3D ispis metala često je rezultirao dijelovima s složenim oblicima koji puknu prerano. Ovo istraživanje ispitivalo je kako brzine hlađenja utječu na kristalnu strukturu metala, s ciljem kontroliranja mikrostrukture metala tijekom početnih koraka 3D printanja.

U konačnici, znanstvenici su potvrdili predviđanja koja je napravio računalni model koji opisuje zgušnjavanje legura, nazvanog Kurz-Giovanola-Trivedi (KGT) model zgušnjavanja. Kao takvo, istraživanje je ukazalo da se ovaj model može koristiti za predviđanje i kontrolu metalnih dijelova tijekom 3D printanja, poboljšavajući dosljednost proizvodnje u velikom mjerilu.

Osim toga, istraživači s Tsinghua sveučilišta i Nacionalnog sveučilišta u Singapuru istraživali su utjecaj protoka tekućine na mehanička svojstva dijelova od metala isprintanih u 3D-u. Kristalne strukture poput drveta, nazvane dendriti, mogu rasti i širiti se dok se taljeno metal stvrdnjava. Kako rastu, dendriti mogu negativno utjecati na mehanička svojstva metala.

Stoga je istraživački tim proučavao kako dendriti rastu u različitim uvjetima protoka. Konačno, tim je otkrio da protok tekućine i brzina stvrdnjavanja značajno utječu na formiranje dendrita u 3D ispisu metala.