Additiv fremstilling lovende med AF-9628, en høj styrke, lavpris stål

Dele fremstillet yderligere med AF-9628, et Air Force -stål, er omkring 20 procent stærkere end konventionelle AM ​​-legeringer, hvad angår ultimativ trækstyrke, ifølge forskning foretaget af kaptajn Erin Hager, en ansat i Air Force Research Laboratory og nyuddannet fra Air Force Institute of Technology's Aerospace Engineering Program.

AF-9628 er en stållegering udviklet af AFRL's Dr. Rachel Abrahams, der tilbyder høj styrke og sejhed. Formlen, tilnavnet Rachels stål, koster mindre end nogle andre højtydende stållegeringer, herunder Eglin Steel og HP-9-4-20; imidlertid, det er dyrere end almindelige kvaliteter, der bruges i konventionel ammunition. AF-9628 er unik, da den ikke indeholder wolfram, som Eglin Steel eller kobolt, del af formlen til HP-9-4-20, som er i Massive Ordnance Penetrator, en 30, 000 pund bombe, der ødelægger aktiver i velbeskyttede faciliteter.

Hagers forskning, sponsoreret af Air Force Research Laboratory Munitions Directorate hos Eglin AFB, Florida, fastslået, at AF-9628 er et optimalt materiale til additiv fremstilling på grund af dets høje styrke. Selvom disse fund er sammenlignelige med værdier rapporteret i en lignende undersøgelse fra U.S. Army Combat Capabilities Development Command Army Research Laboratory, Hager gav lignende mekaniske egenskaber til konventionelt smedede og varmebehandlede AF-9628. Dr. Sean Gibbons, en ingeniør i forskningsmaterialer med direktionen Munitions med ekspertise inden for stål, beskriver dette fund som "spændende".

I arbejdet med Rachel's Steel, Hager anvendte pulverbedfusion, en type additiv fremstilling, hvor en laser selektivt smelter pulver i et mønster for at skabe tredimensionelle objekter. Da hvert lag er komplet, printeren afgiver mere pulver på byggeområdet, og processen fortsætter, indtil delen er færdig.

"For at afgøre, om AF-9628 kunne udskrives, vi karakteriserede pulverets form og størrelse og [identificerede], hvordan det ændrede sig med smeltning og sigtning, "Siger Hager. Hun undersøgte det under et scanningselektronmikroskop ved AFIT og udførte test på University of Dayton Research Institute ved hjælp af en størrelse, der karakteriserede lysmikroskop.

Hager leverede den kemiske sammensætning af AF-9628 stål til Powder Alloy Corp., en producent i Cincinnati, Ohio. Da hun modtog pulveret og konstaterede, at det smeltede forudsigeligt i maskinen, hun gik videre til at lave egentlige testartikler. Efter udskrivning af forskellige dele, hun analyserede den resulterende porøsitet, styrke og slagfasthed.

Hun forklarede, at mange "legeringer ikke tager til [additiv fremstilling] særlig godt." For eksempel, "visse legeringer smelter ikke, og de revner meget, når du rent faktisk prøver at spille en rolle." Imidlertid, da Hager undersøgte hendes dele, hun bemærkede, at de mekaniske egenskaber var "ganske gode." Hun fandt ingen tegn på revner og beskrev output som "meget lig traditionelt fremstillede dele."

Efter en mere grundig undersøgelse, hun fastslog, at delene "matchede den krævede forlængelse på 10 procent, hvilket indikerer øget styrke uden at blive sprød." Hager forklarer, at delene "opfyldte eller overskred [specifikationer] lige ud af maskinen."

Efter at hun med succes havde skabt enkle dele, Hager begyndte at udskrive komplekse designs, herunder flere indviklede projektiler. Hun brugte to maskiner hos AFIT og printede omkring 130 artikler, herunder 30 små cylindre, 60 større cylindre, 20 trækstænger og 20 slagprøver.

De dele, hun lavede, er velegnede til våbenapplikationer. Da luftvåbnet oprindeligt udviklede AF-9628 til bombeapplikationer til bomber, "den oprindelige idé var at gøre fremtidens penetrerende våben med præcis den ønskede eksplosive profil."

Hager forklarer, at additiv fremstilling "tillader [ingeniører] kun at lægge vægt [på ammunition], hvor det er nødvendigt." Ultimativt, dette "muliggør lettere ammunition, der bliver lige så dyb, så [fly] kan bære flere af disse våben, " hun siger.

Ifølge UDRI ingeniører, mens additiv fremstilling (i nogle tilfælde) effektivt kan fremstille komplekse former til en lavere pris end traditionel fremstilling, processen kan efterlade restspændinger i dele på grund af den hurtige opvarmning og afkøling under byggeprocessen.

Hager sagde, at "additiv er ikke en præcisionsproces, så det er svært at holde geometriske tolerancer, og da emnerne kan komme grove ud, de gennemgår nogle gange meget efterbehandling. "

Dr. Philip Flater, en maskiningeniør, der leder Munitions Directorate Additive Manufacturing Group, der sponsorerede denne forskning, forklaret dette kan indebære polering og/eller varmebehandling af ru overflader for at løse materialefejl som porer og opnå optimale mekaniske egenskaber.

Mens Hager sagde, at ruhed og porøsitet ikke er ideelle kvaliteter i funktionelle dele, der bruges gentagne gange, forklarede hun, at komponenter til ammunition er engangsartikler.

For nu, AF-9628 pulveret fås kun i meget små produktionsmængder, og virksomheder kan tage måneder at formulere det. Som sådan, mens AF-9628 er et billigere stål, hun sagde, at "pulverformen [i øjeblikket] ikke resulterer i de samme omkostningsbesparelser", da efterspørgslen er lav.

"Det er ikke meget almindeligt, at kunder anmoder om højstyrkestål i pulverform, "forklarede hun.

Hager håber, at denne tidlige succes vil føre til øget interesse for højstyrkestål.

"Der er ikke meget stålforskning, " hun sagde, tilføjer, at igangværende "undersøgelser hovedsageligt involverer titanium og kompositter."

Hager planlægger at sprede budskabet om hendes fund, og hun håber, at luftvåbnet vil "tage dette højstyrkestål og komme med nogle nye applikationer, som vi ikke engang har tænkt på endnu." Hun præsenterede for nylig sin forskning under en international pulvermetallurgikonference og et ordnance- og ballistik -symposium.

I øjeblikket, hun arbejder inden for AFRLs material- og fremstillingsdirektorat i det avancerede kraftteknologiske kontor, hvor hun undersøger nye kraftteknologier, som luftvåbnet kan bruge til at reducere omkostninger. Som medlem af luftfartsgruppen, Hager fokuserer på alternative brændstoffer, let vægtning og trækreduktionsforanstaltninger.

AFRLs ammunitionsdirektorat leder yderligere forskningsindsatser, der involverer additivt fremstillet ammunition. Målet er at skabe ammunition med præcisionsstyret fragmentering og sprængningstrykprofiler, der minimerer sikkerhedsskader.