Tungsten carbide was too hard to 3D print. Until now

Tungsten carbide was too hard to 3D print. Until now

Autor: Carolyn Schwaar

Źródło: All3DP

Węglik wolframu to jeden z najtwardszych materiałów na Ziemi. Jest na tyle twardy, że bez problemu tnie stal i potrafi przetrwać lata intensywnego wiercenia i szlifowania. Jednak ta sama niesamowita wytrzymałość sprawiała, że jego druk 3D był niemal niemożliwy bez uszkodzenia właściwości materiału. Aż do teraz.

Naukowcy z Japonii znaleźli rozwiązanie: opracowali nowy proces druku oparty na technologii laserowej, który pozwala na tworzenie części z węglika wolframu z kobaltem (WC-Co). Ich twardość dorównuje elementom wytwarzanym tradycyjnymi metodami, a przy tym znacznie ogranicza marnowanie tego niezwykle drogiego materiału.

Zgodnie z badaniami opublikowanymi w International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, zespół wykorzystał proces laserowego osadzania gorącego drutu (hot-wire laser deposition). Materiał ten, szeroko stosowany w narzędziach skrawających, wiertniczych i odpornych na zużycie, łączy ekstremalnie twarde cząsteczki węglika wolframu z kobaltem pełniącym rolę spoiwa.

Jego twardość sprawia jednak, że obróbka WC-Co jest trudna i droga. Tradycyjna produkcja zazwyczaj obejmuje metalurgię proszków, po której następuje szlifowanie lub inne procesy ubytkowe, co często wiąże się z utratą znacznych ilości kosztownego surowca. Badacze podkreślają, że wytwarzanie przyrostowe (druk 3D) może zredukować te straty, nakładając węglik spiekany tylko tam, gdzie jest to absolutnie konieczne.

Do tej pory druk z użyciem WC-Co sprawiał problemy, ponieważ nadmierne nagrzewanie powodowało rozkład węglika wolframu lub zmieniało właściwości kobaltowego spoiwa, co degradowało gotowy element.

Laser diodowy + podgrzewany drut Aby temu zaradzić, japoński zespół zastosował przemysłowy laser diodowy Laserline LDF-6000 w połączeniu z prętem WC-Co o średnicy 2,7 mm. Zamiast polegać wyłącznie na energii lasera, przez pręt przepuszczono pulsujący prąd elektryczny (100 Hz), aby go wstępnie podgrzać i zmiękczyć przed właściwym osadzeniem materiału. Następnie laser dostarczał zlokalizowane ciepło, kontrolując strefę topnienia.

Kontrola ciepła i powstrzymanie rozkładu węglika Kluczem do sukcesu okazało się odpowiednie ustawienie lasera oraz dodanie warstwy pośredniej ze stopu na bazie niklu pomiędzy stalowym podłożem a osadzanym węglikiem. Co więcej, naukowcy zmienili układ tak, aby laser wyprzedzał pręt (laser-leading arrangement). To ograniczyło rozkład materiału i ustabilizowało proces.

Efekt? Dzięki niezwykle ostrożnemu zarządzaniu temperaturą, nowa metoda pozwala na wydrukowanie węglika spiekanego bez znaczących defektów i spadków jakości. Według raportu, osadzony w ten sposób materiał osiągnął twardość Vickersa na poziomie ok. 1400 HV – to wynik porównywalny z tradycyjnie produkowanym węglikiem wolframu (WC-Co).