Project title:

Electromagnetic processing during solidification of nano-particle strengthened light alloys for additive manufacturing

Project contract No.: 1.1.1.1/19/A/080

Leading partner of the project:  Latvian University

Benificiary-cooperation partner: 2AM, SIA

Duration of the project: 36 months (01.07.2020. – 30.06.2023.)

The funding of the Project: EUR 260,767.53 of that, ERDF budget funding EUR 150,723.63 or 57,80% from total funding costs.

Eligible state budget funding EUR 90486,33 or 34,70 % from total funding costs and Lead Partner funding is EUR 28817,43

and partner funding is EUR 19557,57 as co-financing or 7,5% of total funding costs.

Total project funding with leading partner: EUR 645 000,00.

Project research manager: Andris Bojarevičs, e-mail: andris.bojarevics@gmail.com

Project administrative manager: Gints Rieksts, e-mail: gints.rieksts@inbox.com

The aim of the project: Develop an efficient method for the production of metal matrix composites using AC and DC

electromagnetic fields to admix and disperse particles in liquid metals with the application in wire-feed additive

manufacturing (AM).

Main project activities:

  1. Theoretical analysis of the process and parameter determination;

  2. Investigation of intense semi-solid metal flow for primary particle insertion;

  3. Nanoparticle dispersion experiments;

  4. Full scale MMNC production process experiments.

  5. Overall system evaluation and preparation of publication of IPR documentation

Duration of the project: 36 months (01.07.2020. – 30.06.2023.)

The total funding of the project: EUR 645,000.00 of that, ERDF and Eligible state budget funding is EUR 596625,00,

Lead Partner funding is EUR 28817,43 and partner funding is EUR 19557,57.

Project main results:

  1. Developed electromagnetic method for nanoparticle admix into liquid aluminium;

  2. Developed electromagnetic method for nanoparticle agglomerate dispersion in alloy;

  3. Result presentation in 9 scientific publications, 4 international conferences

The project is not related to economic activity and will be performed by the Institute of Physics of the

University of Latvia (LUFI) and SIA “2AM”. The research activities envisaged in the project correspond

to the research category - industrial research and experimental development.

 

Project information in LU partner website:

https://www.lu.lv/zinatne/programmas-un-projekti/es-strukturfondi/eraf-sam-1111-praktiskas-ievirzes-petijumi-3-karta/

IMPLEMENTATION AND ACHIEVEMENT OF PROJECT ACTIVITIES:

Reporting period from 01.07.2020. until 30.09.2020.

 

During the 1st reporting period it was implemented: Task No. 1 “Theoretical Analysis of Process and Parameter Determination” during the

following was performed:

  • A detailed study of the literature on the introduction of nanoparticles into aluminum alloys by ultrasonic and electromagnetic fields was

initiated. More than 100 publications at different levels were reviewed. After literature review until now, it was concluded that the  introduction

of modifying particles by the mechanical mixing method is effective at particle sizes larger than 0.3 μm. Therefore, this method is not

considered to be efficient enough for the introduction of small size nanoparticles. Also, it was concluded that the efficiency of particle

introduction depends on the chemical composition of the chosen alloy and nanoparticles. The potential chemical compositions of nanoparticles

and their sizes were clarified. Nanopowders were selected and delivered based on literature analysis.

 

  • It was annalized the possibilities to create a funnel-shaped flow by electromagnetic methods to achieve an intense radially converging

flow of liquid metal on the free surface and a very strong vertical flow in the center of the "funnel", ensuring the mixing of nanoparticles, have

been analyzed. A hypothesis has been put forward about the required flow intensity of this type, which is characterized by a set of dimensionless

similarity criteria.

 

  • The work has been done on the analytical model. The analytical model to be developed assumes that the nanoparticles mixed in the liquid

metal are located in microscopic conglomerates, which are surrounded by a bubble formed on the surface of the nanoparticles. The effect of

electromagnetic  or mechanically generated ultrasound in the model is evaluated to determine the minimum required criteria for the frequency

and amplitude of the generated pressure fluctuations, which would ensure the collapse of cavitation-type bubbles. The hypothesis is proposed

that the subsequent ultra-intense microscopic scale liquid metal flow will dilute solid nanoparticle conglomerates. The analytical model also

considers the necessary criteria for liquid metal mixing to ensure a uniform distribution of dispersed nanoparticles throughout the liquid metal

volume.


Date of information: 30.09.2020.

Reporting period from 01.10.2020. to 10.11.2020.


During the 2nd reporting period the previous work was continued on the implementation of Task No. 1 “Theoretical Analysis of Process and

Parameter Determination”, in which active work was continued on the development of analytical and numerical models for melting under the

influence of electromagnetic fields. Also in the reporting period, it was implemented Task 2.3 “Theoretical Analysis of Process and Parameter

Determination”, in the framework of which the following was performed:

 

  • A technical concept has been developed for filling degassed nanoparticles into aluminum alloy tubes, for their ultrasonic welding and

subsequent mechanical deformation of hermetically sealed capsules to ensure the cohesion of nanoparticles with aluminum.

Nanoparticle-enriched solid aluminum will be used to inject nanoparticles into liquid aluminum. The high-frequency induction furnace is

prepared for melting aluminum, providing both for the removal of hydrogen dissolved in the alloy by argon injection and for protecting the

liquid metal from oxidation by the flow of argon on the free surface of the liquid metal.

 

Date of information: 10.11.2020.

 

 

 

 

 

 

 

Projekta nosaukums:

Elektromagnētiska tehnoloģija ar nano-daļiņām stiprināta vieglā sakausējuma kristalizēšanas procesam 3D drukas pielietojumam

Projekta līguma numurs: 1.1.1.1/19/A/080

Projekta vadošais partneris: Latvijas Universitāte

Finansējuma saņēmējs-sadarbības partneris: Sabiedrība ar ierobežotu atbildību "2AM”

Projekta īstenošanas termiņš: 36 mēneši (01.07.2020. – 30.06.2023.)

Projekta finansējums: 260767,53EUR, no kuriem Eiropas Reģionālās attīstības fonda finansējums

150723,63EUR jeb 57,80 % apmērā no kopējām izmaksām, Valsts budžeta finansējums 90486,33EUR jeb 34,70 % apmērā

no kopējām izmaksām un Sadarbības partnera finansējums  19557,57EUR kā līdzfinansējums 7,5 % apmērā no projekta

kopējām izmaksām.

Kopējais projekta finansējums ar projekta vadošo partneri - 645 000,00 EUR.

Projekta zinātniskais vadītājs: Andris Bojarevičs, e-pasts: andris.bojarevics@gmail.com

Projekta administratīvais vadītājs: Gints Rieksts, e-pasts: gints.rieksts@inbox.com

Projekta mērķis – Izstrādāt jaunu metodi metāla matricas kompozītu ražošanai, kas izmanto maiņstrāvas un

līdzstrāvas elektromagnētiskos laukus, lai piejauktu un izkliedētu daļiņas šķidros metālos, to pielietojot stieples padeves

3D drukāšanā.

Galvenās projekta aktivitātes:

1. Procesa teorētiskā analīze un parametru noteikšana;

2. Intensīvas puscieta metāla plūsmas izpēte primāro daļiņu ievietošanai;

3. Nanodaļiņu izkliedes eksperimenti;

4. Pilna MMC ražošanas procesa eksperimenti.

5. Vispārējs sistēmas novērtējums un intelektuālā īpašuma tiesību dokumentācijas sagatavošana

Projekta īstenošanas laiks – 36 mēneši (01.07.2020. – 30.06.2023.)

Galvenie projekta rezultāti:

1. Izstrādāta elektromagnētiskā metode nanodaļiņu piejaukšanai šķidrā alumīnijā;

2. Izstrādāta elektromagnētiskā metode nanodaļiņu aglomerāta dispersijai sakausējumā;

3. Rezultātu prezentācija 9 zinātniskās publikācijās un 4 starptautiskās konferencēs.

Projekts nav saistīts ar saimniecisko darbību, un to īstenos Latvijas Universitātes Fizikas institūts (LUFI) un

SIA “2AM”. Projektā paredzētās pētniecības darbības atbilst pētniecības kategorijai- rūpnieciskais pētījums un

eksperimentālā izstrāde.

 

Projekta informācija LU partnera tīmekļa vietnē:

https://www.lu.lv/zinatne/programmas-un-projekti/es-strukturfondi/eraf-sam-1111-praktiskas-ievirzes-petijumi-3-karta/

 

PROJEKTU DARBĪBU IZPILDE UN PAVEIKTAIS:

1.Pārskata periods no 01.07.2020. līdz 30.09.2020.


Pārskata periodā īstenota darbība nr.1 “Procesa un parametru noteikšanas teorētiskā analīze”, kuras ietvaros paveikts

sekojošais:

  •  Tika uzsākta detalizēta literatūras izpēte par nanodaļiņu ievadīšanu alumīnija kausējumā ar ultraskaņas un elektromagnētiskā

lauka palīdzību. Tika apskatītas vairāk kā 100 dažāda līmeņa publikācijas. Līdz šim brīdim literatūras apskata rezultātā

secināts ka modificējošo daļiņu ievadīšana ar mehānisko maisīšanas metodi ir efektīva pie daļiņu izmēriem, kas lielāki

par 0,3 µm. Līdz ar to smalkāku nanodaļiņu ievadīšanai šī metode nav uzskatāma par pietiekami efektīvu. Ir arī secināts,

ka daļiņu ievadīšanas efektivitāte ir atkarīga no izvēlētā sakausējuma un nanodaļiņu ķīmiskā sastāva. Tika precizēti potenciālie

nanodaļiņu ķīmiskie sastāvi un to izmēri. Pamatojoties uz literatūras analīzi tika atlasīti un piegādāti nanopulveri.

  •  Analizētas iespējas ar elektromagnētiskām metodēm radīt piltuvveida "funnel-shaped" plūsmu, lai panāktu intensīvu šķidrā metāla

radiāli konverģējošu plūsmu uz brīvās virsmas un izteikti stipru vertikālo plūsmu "piltuves" centrā, nodrošinot nanodaļiņu

iemaisīšanu. Izvirzīta hipotēze, par nepiecišamo šāda tipa plūsmas intensitāti, kura raksturota ar bezdimensionālo līdzības

kritēriju kopu.

  •  Veikts darbs pie analītiskā modeļa. Attīstāmais analītiskais modelis par dotu pieņem, ka šķidrajā metālā iemaisītās

nanodaļiņas atrodas mikroskopiskos konglomerātos, kurus aptver uz nanodaļiņu virsmas paliekošās gāzes izveidots burbulis.

Elektromagnēskās vai mehāniski radītas ultraskaņas iedarbība modelī tiek izvērtēta, lai noteiktu minimāli nepieciešamo
kritēriju lielumu radāmo spiediena svārstību frekvencei un amplitūdai, kas nodrošinātu kavitācijas rakstura burbuļu sabrukšanu.

Izteikta hipotēze, ka sekojošā ultra-intensīva mikroskopiska mēroga šķidra metāla plūsma sašķaidīs cieto nanodaļiņu

konglomerātus. Analītiskais modelis apskata arī nepieciešamos kritērijus šķidrā metāla maisīšanai, lai nodrošinātu disperģēto

nanodaļiņu vienmērīgam sadalījumam visā šķidrā metāla tilpumā.


Informācija ievietota : 30.09.2020.

2.Pārskata periods no 01.10.2020. līdz 10.11.2020.


Pārskata periodā turpināts darbs pie darbības nr.1 “Procesa un parametru noteikšanas teorētiskā analīze” īstenošanas, kuras ietvaros turpināts

aktīvs darbs pie analītisko un skaitlisko modeļu izstrādes kausēšanai elektromagnētiskā lauka ietekmē. Tā par pārskata periodā īstenota

darbības nr.2.2 “Eksperimenti, lai iegūtu sakausējumu ar nanodaļiņām”, kuras ietvaros paveikts sekojošais:

 

  • Izstrādāta tehniskā koncepcija degazētu nanodaļiņu iepildīšanai alumīnija sakausējuma caurulītēs, to aizmetināšanai ar ultraskaņu un

sekojošai hermētiski noslēgto kapsulu mehāniskai deformācijai nanodaļiņu kohēzijas ar alumīniju nodrošināšanai. Nanodaļiņām bagātinātais

cietais alumīnijs tiks izmantots, lai ievadītu nanodāļiņas šķidrajā alumīnijā. Austfrekvences indukcijas krāsns sagatavota alumīnija kausēšanai,

nodrošinot gan sakausējumā izšķīdušā ūdeņraža izvadīšanai ar argona injicēšanu, gan pasargājot šķidro metālu no oksidēšanās ar argona

plūsmu uz škidrā metāla brīvās virsmas.

Informācija ievietota: 10.11.2020.

2020 © 2AM, SIA. All rights reserved.