Ein Team von Forschern aus den USA haben Möglichkeiten untersucht, stärkere Alternativen für den 3D-Druck von rostfreiem Edelstahl zu finden. Produzierende Unternehmen, die 17-4-Edelstahl einsetzen, könnten damit ihre Herstellungskosten senken und ihre Produktionsflexibilität erhöhen. Wir stellen die bisherigen Forschungsergebnisse einmal vor.

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Forscher des National Institute of Standards and Technology (NIST), der University of Wisconsin-Madison und des Argonne National Laboratory berichten in einer gemeinsamen Pressemitteilung, dass sie bestimmte 17-4-Edelstahl-Konkurrenten identifiziert haben, die gedruckt die Eigenschaften der konventionell hergestellten Version erreichen. Die Forscher haben Hochgeschwindigkeitsdaten über den Druckprozess gesammelt, die sie mit hochenergetischer Röntgenstrahlung aus einem Teilchenbeschleuniger gewonnen haben. Sie gehen davon aus, dass Hersteller, für die Teile aus 17-4 PH, auch 3D-Drucker als Produktionsmaschinen nutzen wollen. Das verspricht geringere Kosten bei höherer Fertigungsflexibilität. Die Ergebnisse ihrer Arbeit haben sie im Fachjournal Additive Manufacturing im Artikel mit dem Titel „Phase transformation dynamics guided alloy development for additive manufacturing“ veröffentlicht.

NIST-Physiker Fan Zhang, Co-Autor der Studie, sagte:

„Wenn Sie an die additive Fertigung von Metallen denken, schweißen wir im Wesentlichen Millionen winziger, pulverisierter Partikel mit einer Hochleistungsquelle wie einem Laser zu einem Stück, schmelzen sie zu einer Flüssigkeit und kühlen sie zu einem Feststoff ab. Aber die Abkühlungsrate ist hoch, manchmal höher als eine Million Grad Celsius pro Sekunde, und diese extreme Ungleichgewichtsbedingung schafft eine Reihe außergewöhnlicher Messherausforderungen.“

Details zur Arbeit der Forscher

mikroskopisches Bild von 3D-gedrucktem 17-4-Edelstahl
Ein mikroskopisches Bild von 3D-gedrucktem 17-4-Edelstahl. Die Farben in der linken Version des Bildes repräsentieren die unterschiedlichen Orientierungen der Kristalle innerhalb der Legierung (Bild © NIST).

Laut Zhang verschiebt sich die Anordnung oder Kristallstruktur der Atome innerhalb des Materials schnell und ist schwer festzumachen, da es sich schnell erwärmt oder abkühlt. Mit einer speziellen Ausrüstung gelang es den Forschern, schnelle Strukturänderungen zu beobachten, die in Millisekunden auftreten. Sie fanden Synchrotron-Röntgenbeugung oder XRD.

Lianyi Chen, Professor für Maschinenbau an der UW-Madison und Co-Autor der Studie, erklärte, dass bei XRD Röntgenstrahlen mit einem Material interagieren und ein Signal bilden, das wie ein Fingerabdruck der spezifischen Kristallstruktur des Materials entspricht. Die Autoren zeigten die Veränderungen der Kristallstruktur während des Drucks und demonstrierten, wie Faktoren, über die sie Kontrolle hatten, wie die Zusammensetzung des Metallpulvers, den gesamten Prozess beeinflussten.

Neue Legierungszusammensetzungen

Der Hauptbestandteil von 17-4-PH-Stahl ist Eisen. Die zusammengesetzte Legierung enthält unterschiedliche Mengen von bis zu einem Dutzend verschiedener chemischer Elemente. Die Forscher erhielten ein klareres Bild der strukturellen Dynamik während des Drucks als Richtlinie und konnten die Zusammensetzung des Stahls feiner abstimmen und Zusammensetzungen finden, die funktionierten und die nur Eisen, Nickel, Kupfer, Niob und Chrom enthielten und funktionierten.

Das Team hofft, dass der XRD-basierte Ansatz der Studie dabei helfen kann, um andere Legierungen für den 3D-Druck zu optimieren. Die erhaltenen Informationen könnten für den Bau und das Testen von Computermodellen nützlich sein, die die Qualität gedruckter Teile vorhersagen soll.

Zhang ergänzte:

„Die Zusammensetzungskontrolle ist wirklich der Schlüssel zu 3D-Drucklegierungen. Indem wir die Zusammensetzung steuern, können wir steuern, wie sie sich verfestigt. Wir haben auch gezeigt, dass unsere Zusammensetzungen über einen weiten Bereich von Abkühlungsraten, sagen wir zwischen 1.000 und 10 Millionen Grad Celsius pro Sekunde, durchgehend zu vollständig martensitischem 17-4 PH-Stahl führen.“

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