Forscher der Texas A & M University und Mitarbeiter der U.S. Air Force haben eine Methode entwickelt, die den 3D-Druck von Martensitstahl und ähnlichen Materialien möglich macht. Von dem so entstehendem, ultraharten Stahl können zahlreiche Branchen Industrien mit kritischen Bauteilen profitieren. Wir stellen die Arbeit der Forscher vor.

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Wissenschaftler der Texas A & M University und der U.S. Air Force haben ein Verfahren entwickelt, welches die weltweit stärkste Stahlsorte zur Verarbeitung mit dem 3D-Drucker möglich macht. Dabei wird Stahlpulver mit einem Laser eingeschmolzen. Mithilfe eines mathematischen Modells werden mögliche Druckfehler durch Lasereinstellungen reduziert.

Sehr starke 3D-gedruckte Stahlobjekte könnten für viele Branchen sehr nützlich sein, wie die Entwickler in einer Pressemitteilung erklären. Anfang März haben wir die Pläne des BMWi präsentiert, die Schiffsgetriebegehäuse aus Stahl mit XXL-Metall-3D-Drucker herzustellen möchten.

Details zur Entwicklung

Das Framework wird mit einem rechnerisch kostengünstigen Eagar-Tsai-Modell genutzt, einem Modell, das deutlich schneller abläuft als traditionelle iterierende Algorithmen. Das Framework wurde mit einspurigen Experimenten kalibriert, wodurch die Geometrie des Schmelzbades vorhergesagt wird. Zum selektiven Laserschmelzen verwenden die Forscher den besonders korrosionsbeständigen Stahl, der als „AF9628 Stahl“ bezeichnet wird.

Die Forscher erklärten in einer Zusammenfassung:„Mit diesem Framework entstanden vollständig dichte Proben über einen weiten Bereich von Prozessparametern, sodass eine SLM-Verarbeitungskarte für AF9628 erstellt werden konnte. Die gedruckten Proben zeigten Zugfestigkeiten von bis zu 1,4 GPa, die höchsten, die bisher für eine 3D-gedruckte Legierung gemeldet wurden.“

Martensitstahl

mikroskopische Ansicht des Martensitstahlpulvers
Martensitstahl für den 3D-Druck könnte für viele Branchen nützlich sein (Bild © Raiyan Seede, Microstructural Engineering of Structural and Active Materials Group).

Der von den Forschern verwendete Martensitstahl eignet sich für Einsatzbereiche, bei denen hochfeste und leichte Teile gebaut werden, ohne Mehrkosten zu verursachen. Er wird in einem Prozess hergestellt, bei dem extreme Abkühlung Kohlenstoff in der Struktur des Stahls einfängt. Derartiger Kohlenstoffstahl kann sehr spröde sein, wodurch es bei der Verarbeitung zu Porösitäten kommen kann. Winzige Löcher können die Festigkeit des fertigen 3D-Druckobjekts deutlich verringern, selbst bei sehr starkem Rohmaterial.

Die Forscher mussten die Porösitäten reduzieren. Sie versuchten es mit Pulver und verschiedenen Arten des Schweißens, bei denen Metallpulver erhitzt wird, um den Bindemittel zwischen zwei Metallstücken zu bilden. Sie variierten die Laserpulse pro Sekunde und die Leistung des Lasers und passten ein Schweißmodell an. So begannen sie mit der Feinabstimmung des 3D-Druckmodells. Sie variierten die nachfolgenden Iterationen, bis bei ihrem endgültigen Modell im Voraus erkennbar war, ob bestimmte Einstellungen funktionieren oder nicht. Mit der additiven Fertigungen von ultrahartem Kohlenstoffstahl können so auch Stahlhersteller viel Entwicklungszeit und Material sparen.

Die Forschungsarbeit wurde in der Zeitschrift Acta Materialia unter dem Titel „An ultra-high strength martensitic steel fabricated using selective laser melting additive manufacturing: Densification, microstructure, and mechanical properties“ veröffentlicht.

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