3D-печатные детали из титана быстро стали фаворитами медицинской и аэрокосмической отрасли, однако новое исследование ученых Университета Карнеги-Меллон бросает тень на пригодность порошковых металлов для аддитивного производства высокопрочных изделий.

Результаты синхротронного рентгеновского сканирования доказали наличие пористой структуры, характеризуемой применением порошковых материалов. Исследования проводились на наиболее широко используемом титановом сплаве – Ti-6Al-4V. Хотя пористость следует ожидать в деталях, произведенных методом селективного лазерного спекания (SLS), ученые протестировали образцы, изготовленные с помощью одной из технологий послойного наплавления – электронно-лучевой плавки или «EBM». Традиционно предполагалось, что полное плавление частиц обеспечивает однородность конечного материала, но на деле все оказалось не совсем так.

Ученые пришли к выводу, что причиной появления полостей в структуре готовых изделий является не столько неполное плавление, сколько случайный захват пузырьков инертного газа, которым заполняются рабочие камеры порошковых 3D-принтеров, работающих с металлами. Размер таких пузырьков может варьироваться от нескольких до сотен микрон. Что еще хуже, распределение таких пузырьков происходит весьма неравномерно, и при случайном слиянии нескольких полостей в одну вполне может произойти образование слабого участка.

«Как и в случае с любым другим металлом, у титана есть определенный порог усталости, превысив который материал образует трещины или ломается», – поясняет один из авторов исследования, профессор материаловедения в Университете Карнеги-Меллон Энтони Роллетт. «Чем выше пористость печатного металла, тем ниже его устойчивость к усталости».

Хотя полученные результаты не означают, что порошковую 3D-печать металлами можно списывать со счетов, в отдельных отраслях необходим повышенный контроль качества, а возможно и отказ от использования 3D-печати в изготовлении наиболее важных компонентов. Простым примером служит аэрокосмическая отрасль, где разрушение титановых форсунок или лопаток реактивного двигателя может привести к потере дорогостоящего аппарата, а то и гибели сотен пассажиров. С другой стороны, уровни нагрузок на титановые имплантаты несравнимо ниже, а потому небольшими дефектами можно пренебречь. Фактически, в некоторых случаях пористость даже приветствуется: костные протезы намеренно создаются с пористой структурой ради сращивания с костями или «остеоинтеграции».

В любом случае, выводы пока делать рано. Ученые признают, что выявленная проблема требует более детального анализа и более широкого спектра испытаний с использованием других материалов и альтернативных технологий 3D-печати. Пока что ученые указывают на тот факт, что пористость зависит от сочетания скорости сканирования луча, его мощности и отпечатка на поверхности модели. При этом существует масса подводных камней: например, повышение мощности электронного пучка выше определенного порога приведет не к более равномерному плавлению, а повышенной вероятности образования полостей. Таким образом, для получения наиболее однородных деталей необходимо найти идеальные для задачи значения опытным путем. Что касается достижения полной монолитности, то ученые сомневаются в такой возможности. В ходе дальнейших исследований команда намеревается рассмотреть не только тонкости работы самих печатающих систем, но и исследовать зависимость процесса от качества и характеристик расходных материалов.