Das National Institute of Standards and Technology (NIST), das KTH Royal Institute of Technology in Schweden und andere Institutionen haben einen Durchbruch bei der Fähigkeit angekündigt, die Eigenschaften von 3D-gedruckten Metallteilen vorherzusagen und zu kontrollieren. Damit könnten sie die Konsistenz der Technologie verbessern, wodurch es praktikabler wird, die Herstellung in großem Maßstab einzusetzen.
Dies ist nicht das erste Mal, dass das NIST Interesse am Metall-3D-Druck zeigt. Ihre Forschung veröffentlichten sie in einem Artikel mit dem Titel „Solidification modes during additive manufacturing of steel revealed by high-speed X-ray diffraction“ im Fachjournal Acta Materialia.
Zuverlässigerer Metall-3D-Druck
Dank der Vorteile bezüglich niedriger Kosten und weniger Abfall nimmt die Popularität des 3D-Drucks zu. Probleme die Qualifizierung und kontinuierlichen Konsistenz der Teileeigenschaften betreffend haben die Akzeptanz erschwert. Die Entdeckung von NIST könnte das ändern, da dadurch das beispiellose Maß an Beherrschung des Metall-3D-Drucks.
Zur Gewährleistung der Materialeigenschaften benötigten die Wissenschaftler ein besseres Verständnis darüber, was während der Schmelz- und Abkühlgeschwindigkeiten von Metall im Druckprozess geschah. Sie mussten verstehen, wie die Abkühlungsraten von Metall die Kristallstruktur beeinflussen. Das erwies sich als schwierig, da die Verfestigung fast augenblicklich eintritt, wodurch es äußerst schwer ist, diese zu untersuchen. Die Forscher verwendeten zwei unterschiedliche Teilchenbeschleunigeranlagen, um in die innere Struktur von Stahl zu blicken. Während des 3D-Drucks wird dieser geschmolzen und erstarrt. Die Röntgenstrahlen, die von den Teilchenbeschleunigern der Advanced Photon Source des Argonne National Laboratory und der Swiss Light Source des Paul Scherrer Instituts erzeugt wurden, waren stark genug, um Bilder der flüchtigen Prozesse aufzunehmen und die Rate für Temperaturen im Bereich von Zehntausenden bis zu mehr als einer Million Kelvin pro Sekunde zu testen.
Vergleich mit 80er Jahre Rechenmodell
Die Forscher verglichen die Ergebnisse mit einem in den 80er Jahren entwickelten Rechenmodell, das die Erstarrung von Legierungen beschreibt. Das Modell war für die Vorhersage der Materialeigenschaften traditioneller Herstellungsprozesse sehr vertrauenswürdig, aber bis zu diesem Zeitpunkt war es nicht klar, ob es wegen der schnellen Temperaturänderungen während des Druckens auf die additive Metallfertigung anwendbar wäre.
Die Forscher stellten fest, dass das, was sie sahen, im Modell vorhergesagt wurde. So erwies sich das Modell als ein zuverlässiges Werkzeug für das Materialdesign in der traditionellen Fertigung. Das Modell könnte verwendet werden, um Ingenieure und Wissenschaftler über die erforderlichen Abkühlraten für die frühen Erstarrungsschritte im Druckprozess zu informieren. Das stellt sicher, dass die optimale Kristallstruktur innerhalb des Materials erscheint, wodurch der Metall-3D-Druck zuverlässiger wird.
Der NIST-Physiker Fan Zhang, ein Co-Autor der Studie, folgerte:
„Wenn wir die Mikrostruktur während der ersten Schritte des Druckprozesses kontrollieren können, können wir im Grunde die gewünschten Kristalle erhalten und letztendlich die Leistung von additiv gefertigten Teilen bestimmen. Das Modell und die experimentellen Daten stimmen gut überein. Als wir die Ergebnisse sahen, waren wir wirklich begeistert. Wenn wir Daten haben, können wir sie verwenden, um die Modelle zu validieren. So beschleunigen Sie die breite Einführung der additiven Fertigung für den industriellen Einsatz.“
