LV_ID_EU_logo_ansamblis_ERDF_RGB_edited.

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

Beneficiary-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 a 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 the 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 aluminum;

  2. Developed electromagnetic method for nanoparticle agglomerate dispersion in the 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/elektromagnetiska-tehnologija-ar-nano-dalinam-stiprinata-viegla-sakausejuma-kristalizesanas-

procesam-3d-drukas-pielietojumam/

IMPLEMENTATION AND ACHIEVEMENT OF PROJECT ACTIVITIES:

 

1. Reporting period from 01.07.2020. till 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 analyzed 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.

 

Information posted on 30.09.2020.

 

 

2. Reporting period from 01.10.2020. till 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.

 

Information posted on 10.11.2020.

 

3. An outsourcing service should be procured for the performance of the project: “Outsourcing of equipment design services for the development of scientific equipment”.

 

Please send your offer. Procurement regulations see. here.

Procurement identification no. 2 AM2020/1-ERAF080

CPV code: 71323200-0 (Equipment engineering design services).

 

Information posted on 29.12.2020.

 

4. Reporting period from 11.11.2020. till 31.12.2020.

 

The literature was analyzed and a review of the literature on the methods for characterization of the microstructure of Al alloys and Al-MMNC composites was compiled. Regarding the literature data, several sample etching reagents (Keller’s, Weck’s Graff’s, and Barker’s) were synthesized, and polishing protocols were approved as well. The best sampling and analysis modes (brightness, contrast, magnification, image “gluing”) using an optical digital microscope were developed during the performance of tests. Following the literature review, methodologies for the fabrication of nano modifiers and the introduction of nanoparticles into the melt were selected. 

A specification for a safe nanoparticle-metal ligature preparation system was developed (Procurement Identification No. 2 AM2020/1-ERAF080).

 

Information posted on 06.01.2021.

 

5. Reporting period from 01.01.2021. till 10.03.2021.

 

Al-alloy melting and casting experiments with alloy degassing have been started. Two solutions were tried: with the presence of flux and inert gas. It was decided to degas the Al-melt and separate the slag by supplying argon gas into the melt. Specific shape immersible gas dispersers were designed and manufactured to operate at temperatures up to 1000 °C. Experiments with melting and casting of Al-alloys using a magnetic hydrodynamic stirrer have been started. The first results obtained provided valuable information for further modification of the melting oven.

 

Information posted on 16.03.2021.

 

6. Reporting period from 11.03.2021. till 30.04.2021.

 

During the reporting period, the previously started detailed literature search on the introduction of nanoparticles into aluminum alloys with the help of ultrasonic and electromagnetic fields is continued, as well as work on the preparation of the literature review report is actively continuing. The ongoing melting and casting experiments of Al-alloys are being continued.

 

Information posted on 18.05.2021.

 

7. Reporting period from 01.05.2021. till 31.07.2021.

 

During the reporting period, the previously started detailed literature search on the introduction of nanoparticles into aluminum alloys with the help of ultrasonic and electromagnetic fields is continued, as well as work on the preparation of the literature review report is actively continuing.

Experiments with nanoparticle dispersion (injection into the alloy) with a mechanical ultrasonic probe have been performed. The optimal ultrasonic operating parameters (frequency, pause, amplitude, total time) were found. Dispersion experiments of nanoparticles in 2 model liquids (with different viscosities) were performed.

An experimental device for safe dosing and encapsulation of nanoparticles with a controlled atmosphere was provided and installed to ensure a low content of oxygen (less than 1000 ppm) and water molecules. Experimental work in test mode has started. Aluminum melting experiments with the electromagnetic stirring method have been started, as well as testing of the experimental equipment.

 

Information posted on 18.08.2021.

 

 

 

 

 

 

 

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/elektromagnetiska-tehnologija-ar-nano-dalinam-stiprinata-viegla-sakausejuma-kristalizesanas-procesam-3d-drukas-pielietojumam/

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.

3.Projekta vajadzībām nepieciešams iepirkt ārpakalpojumu: “Ārpakalpojums par iekārtu konstruēšanas pakalpojumiem zinātnisko iekārtu izstrādei”.

Lūdzu sūtiet savu piedāvājumu. Iepirkuma nolikums skat. šeit.

Iepirkuma identifikācijas Nr. 2AM2020/1-ERAF080

CPV kods: 71323200-0 (Iekārtu inženiertehniskās projektēšanas pakalpojumi).

Informācija ievietota: 29.12.2020.

4.Pārskata periods no 11.11.2020. līdz 31.12.2020.

Tika analizēta literatūra un sastādīts literatūras apskats par izmantojamām metodēm Al sakausējumu un Al-MMNC mikrostruktūras raksturošanai. Izmantojot literatūras datus, tika sintezēti un aprobēti vairāki paraugu kodināšanas reaģenti (Keller’s, Weck’s Graff’s un Barker's) kā āri pētāmo paraugu pulēšanas protokoli. Darba gaitā tika atstrādāti labākie paraugu apskates un analīzes režīmi (spilgtums, kontrastainums, palielinājums, attēlu “salīmēšana”), izmantojot optisko digitālo mikroskopu. 

Pēc literatūras apskata rezultātam tika izvēlētas metodikas nano modifikatoru izgatavošanai un nano daļiņu ievadīšanai kausējumā.

Tika izstrādāta specifikācija drošu nanodaļiņu – metāla ligatūras sagatavošanas sistēmai (Iepirkuma identifikācijas Nr. 2AM2020/1-ERAF080).

Informācija ievietota: 06.01.2021.

5.Pārskata periods no 01.01.2021. līdz 10.03.2021.

Uzsākti Al-sakausējumu kausēšanas un liešanas eksperimenti ar kausējumu degazāciju. Bija izmēģināti divi risinājumi : ar kušņu un inerta gāzes palīdzību. Tika pieņemts lēmums veikt Al-kausējuma degazāciju un šlakas uzdalīšanu, padodot  argona gāzi kausējumā. Šiem mērķiem tika uzprojektēti un izgatavoti speciāli kausējumā iegremdējami gāzes dispergātori, kas ļaus strādāt līdz 1000 °C temperatūrā.
Uzsākti Al-sakausējumu kausēšanas un liešanas eksperimenti, izmantojot magnētisko hidrodinamisko maisītāju. Iegūtie pirmie rezultāti sniedza vērtīgu informāciju kausēšanas iekārtas tālākai modificēšanai.

Informācija ievietota: 16.03.2021.

6.Pārskata periods no 11.03.2021. līdz 30.04.2021.


Pārskata periodā tiek turpināta iepriekš uzsāktā detalizēta literatūras izpēte par nanodaļiņu ievadīšanu alumīnija kausējumā ar ultraskaņas un elektromagnētiskā lauka palīdzību, kā arī aktīvi turpinās darbs pie literatūras pārskata atskaites sagatavošanas. 
Tiek turpināti uzsāktie Al-sakausējumu kausēšanas un liešanas eksperimenti.

Informācija ievietota 18.05.2021.

7.Pārskata periods no 01.05.2021. līdz 31.07.2021.


Pārskata periodā tiek turpināta iepriekš uzsāktā detalizēta literatūras izpēte par nanodaļiņu ievadīšanu alumīnija kausējumā ar ultraskaņas un elektromagnētiskā lauka palīdzību, kā arī aktīvi turpinās darbs pie literatūras pārskata atskaites sagatavošanas. 
Veikti eksperimenti nanodaļiņu dispersiju (ievadīšanu sakausējumā) ar mehānisko ultraskaņas (US) zondi. Atrasti optimālie US darbības parametri (frekvence, pauze, amplitūda, kopējais laiks). Veikti nano daļiņu dispersijas eksperimenti 2 modeļšķidrumos (ar dažādu viskozitāti).

Piegādāta un uzstādīta eksperimentālā iekārta drošai nanodaļiņu dozēšanai un kapsulošanai ar kontrolējamo atmosfēru, lai nodrošinātu zemu skābekļa (mazāk par 1000 ppm) un ūdens molekulu saturu. Uzsākti eksperimentālie darbi testa režīmā. Uzsākti alumīnija kausēšanas eksperimenti ar elektromagnētiskās maisīšanas paņēmienu, kā arī eksperimentālās iekārtas testēšana.

 

Informācija ievietota 18.08.2021.