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Usando nêutrons para ver o processo de fabricação aditiva em nível atômico, os cientistas demonstraram que podem medir a deformação em um material à medida que ele evolui e rastrear como os átomos se movem em resposta ao estresse.
As indústrias automotiva, aeroespacial, de energia limpa e de ferramentas e matrizes – qualquer indústria que precise de peças complexas e de alto desempenho – poderiam usar a manufatura aditiva”, disse Alex Plotkowski, cientista de materiais da Divisão de Ciência e Tecnologia de Materiais do ORNL e líder cientista do experimento. Plotkowski e seus colegas relataram suas descobertas em Comunicações da Natureza.
Os cientistas do ORNL desenvolveram OpeN-AM, uma plataforma de impressão 3D que pode medir a evolução da tensão residual durante a fabricação usando a linha de luz VULCAN na Spallation Neutron Source do ORNL, ou SNS, uma instalação de usuário do Departamento de Energia do Escritório de Ciência. Quando combinado com imagens infravermelhas e modelagem computacional, esse sistema permite uma visão sem precedentes do comportamento do material durante a fabricação.
Nesse caso, eles usaram transformação de baixa temperatura, ou LTT, aço, medindo fisicamente como os átomos se movem em resposta ao estresse, seja temperatura ou carga, usando a plataforma OpeN-Am.
Tensões residuais são tensões que permanecem mesmo após uma carga ou a causa da tensão ser removida; eles podem deformar um material ou, pior, fazer com que ele falhe prematuramente. Tais tensões são um grande desafio para a fabricação de componentes precisos com propriedades e desempenho desejáveis.
Os cientistas conceberam e, ao longo de dois anos, produziram este experimento que pode medir a deformação do material à medida que ele evolui, o que determina como as tensões serão distribuídas.
“Os fabricantes poderão adaptar a tensão residual em seus componentes, aumentando sua resistência, tornando-os mais leves e em formatos mais complexos. A tecnologia pode ser aplicada a qualquer coisa que você queira fabricar”, disse Plotkowski.
“Mostramos com sucesso que existe uma maneira de fazer isso”, disse ele. “Estamos demonstrando que entendemos as conexões em um caso para antecipar outros casos”.
Os cientistas ganharam recentemente o prêmio R&D 100 de 2023 por esta tecnologia. Mundo de P&D a revista anunciou os vencedores em agosto. Plotkowski e outros vencedores serão reconhecidos na cerimônia de premiação da organização, no dia 16 de novembro, em San Diego.
Os cientistas usaram uma plataforma personalizada de fabricação aditiva de arco de arame para realizar o que é chamado de difração de nêutrons operando de um metal LTT no SNS. Usando a linha de luz VULCAN da SNS, eles processaram o aço e registraram dados em vários estágios durante a fabricação e após o resfriamento à temperatura ambiente. Eles combinaram dados de difração com imagens infravermelhas para confirmar os resultados. O sistema foi projetado e construído no Manufacturing Demonstration Facility, ou MDF, um consórcio de usuários do DOE Advanced Materials and Manufacturing Technologies Office, onde um sistema replicado da plataforma também foi construído para planejar e testar experimentos antes de executar na linha de luz.
O SNS opera um acelerador linear de partículas que produz feixes de nêutrons para estudar e analisar materiais em escala atômica. A ferramenta de pesquisa que desenvolveram permite aos cientistas observar o interior de um material à medida que ele é produzido, observando literalmente os mecanismos em funcionamento em tempo real.
O aço LTT foi fundido e depositado em camadas. À medida que o metal solidificou e esfriou, sua estrutura se transformou no que é chamado de transformação de fase. Quando isso acontece, os átomos se reorganizam e ocupam espaços diferentes, e o material se comporta de maneira diferente.
Normalmente, as transformações que acontecem em altas temperaturas são difíceis de entender quando se olha para um material somente após o processamento. Ao observar o aço LTT durante o processamento, o experimento dos cientistas mostra que eles podem compreender e manipular a transformação de fase.
“Queremos entender o que são essas tensões, explicar como chegaram lá e descobrir como controlá-las”, disse Plotkowski.
“Esses resultados fornecem um novo caminho para projetar estados de tensão residual desejáveis e distribuições de propriedades dentro de componentes de fabricação aditiva, usando controles de processo para melhorar variações espaciais e temporais não uniformes de gradientes térmicos em torno das principais temperaturas de transformação de fase”, escrevem os autores.
Plotkowski espera que cientistas de todo o mundo venham ao ORNL para fazer experimentos semelhantes em metais que gostariam de usar na fabricação.
Esta pesquisa foi financiada pelo programa de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigido por Laboratório do ORNL, que apoia pesquisa e desenvolvimento de alto risco em áreas de alto valor potencial para programas nacionais.
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