Antikainen Atte 2021: Metalliseoksen jähmettymisen aikaisten mikrotason jäännösjännitysten arviointi multifysikaalisella mallinnuksella (4000 €) – 2023: Metalliseosten käyttäytyminen erittäin nopean sulamisen ja jähmettymisen aikana (5000 €) 

Kuvaus Walter Ahlströmin säätiön apurahalla saavutetuista tuloksista. Tekstin lisäksi on toimitettu yksi kuva ja yksi .gif -animaatio laskentatuloksista.  

Yhtenä osa-alueena tutkimustyössäni on ollut arvioida laser jauhepetisulatuksella 3D tulostettavan metallin taipumus muodostaa jäännösjännityksiä, jotka pahimmillaan johtavat työkappaleen halkeamiseen. 3D-tulostuksen aikana muodostuvat jäännösjännitykset ovat monimutkainen ilmiö, joihin vaikuttavat monet materiaaliominaisuudet, kuten lämpölaajenemiskerroin, sulamispiste, lujuus, sitkeys, ja lämmönjohtavuus. 

Säätiöltä saadun tuen avulla opettelin Python -ohjelmointia termodynaamisten ongelmien  ratkaisemiseen ja loin käyttökelpoisen työkalun 3D-tulostettavien metallien lämpökutistuman arviointiin. Innovaatio oli hyödyntää alun perin faasidiagrammien määrittämiseen kehitettyä mallinnusta jäännösjännitystaipumuksen arvioimisessa. Calphad-menetelmällä voidaan laskea lämpötilariippuvaisia lämpölaajenemiskertoimia eri seoksille. Perinteinen laskenta ei kuitenkaan huomioi materiaalin kemiallista epähomogeenisuutta, joka on hyvin tyypillistä mille tahansa jähmettymisprosessille, kuten tässä tapauksessa metallin 3D-tulostamiselle. Onneksi Calphad-menetelmää voidaan käyttää myös segregaation, eli epähomogeenisuuden laskemiseen. Keksintöni yhdistää nämä kaksi erillistä toiminnallisuutta samaan laskentakoodiin, jolloin lopputuloksena saadaan laskettua lämpötila- ja segregaatioriippuvainen lämpölaajenemiskerroin sulasta jähmettyneelle systeemille. Saatua tulosta voidaan käyttää kvalitatiivisesti ja kvantitatiivisesti vertailtaessa eri materiaalien taipumuksia muodostaa jäännösjännityksiä jäähtyessään. Mitä pienemmät jäännösjännitykset, sitä helpommin materiaali on 3D-tulostettavissa.  

Walter Ahlströmin säätiön tuella oli ratkaiseva vaikutus laskentakoodin syntyyn, sillä projektit, joissa tarve havaittiin, olivat jo päättyneet. Kannustusapuraha nimensä

mukaisesti kannusti saattamaan ajatuksen laskentakoodista käyttökelpoiseen muotoon. Olen käyttänyt kyseistä laskentakoodia ja sen osasia väitöstutkimukseni muissa julkaisuissa, sekä väitöstyöhöni liittymättömissä materiaalikehitysprojekteissa. Olen esitellyt laskentatavan toteutuksen myös kyseisen ohjelmistovalmistajan asiakastilaisuudessa, jossa ratkaisuni sai hyvän vastaanoton.  

Selitys kuvista:  

Animaatio näyttää ”kerroksittain” jähmettyvän materiaalin kunkin kerroksen sulamispisteen, moolitilavuuden (josta lämpölaajenemiskerroin on laskettavissa), sekä faasiosuudet. Kuva näyttää animaation datasta lasketun lämpölaajenemiskertoimen 3D-kuvana lämpötilan ja segregaatioalueen funktiona.  

Varsinainen artikkeli on nähtävillä täällä: https://doi.org/10.3390/met12111894

atte.j.antikainen@tuni.fi 0408494630