Forscher der Auburn University in den USA und das Unternehmen EOS North America untersuchten gemeinsam den 3D-Druck von Aluminiumlegierungen. Dazu testeten sie fünf häufig verwendete Aluminiumlegierungspulver AlSi10Mg, Scalmalloy, QuesTek Al, Addalloy® 5T (AD1) und AlF357. Mit den Ergebnissen wollen sie Anwendern die Wahl der geeigneten Al-Legierung leichter machen.

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Forscher der Auburn University und von EOS North America haben die Auswirkung der Bauausrichtung auf die strukturelle Integrität von 3D-gedruckten Aluminiumlegierungen (Al) untersucht. Dazu testeten sie die fünf beliebtesten Aluminiumlegierungspulver AlSi10Mg, Scalmalloy, QuesTek Al, Addalloy® 5T (AD1) und AlF357 und untersuchten die Ausrichtung eines Builds, Eigenschaften wie die Mikrostruktur des Bauteils, die Materialporosität und das Ermüdungsverhalten. Ihr Ziel war es, herauszufinden, ob das Material für hochbelastete industrielle Anwendungen geeignet ist. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie im Forschungspapier „Structural Integrity of Additively Manufactured Aluminum Alloys: Effects of build Orientation on Microstructure, Porosity, and Ermüdungsverhalten“.

Dort heißt es:

„Der Einsatz von Aluminiumlegierungen für die additive Fertigung hat in letzter Zeit insbesondere in der Luft- und Raumfahrtindustrie große Aufmerksamkeit erregt. Dies hat zur Einführung neuer hochfester Al-Legierungen geführt, die mit den AM-Prozessen besser kompatibel sind. Es ist jedoch entscheidend, die strukturelle Integrität dieser neu entwickelten Al-Legierungen zu untersuchen, bevor sie in sicherheitskritischen tragenden Anwendungen eingesetzt werden.“

Al-Legierungen im 3D-Druck

Al-Legierungen sind für ihr hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis bekannt, ihre Härtbarkeit und ihre ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit. Dadurch sind sie eine gute Wahl für viele Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt und im Motorsport. Doch der 3D-Druck von Al-Legierungen ist oft anspruchsvoller als andere 3D-Drucker-Materialien. Die leichten Pulverpartikel weisen eine schlechte Fließfähigkeit auf, ziehen Feuchtigkeit an, haben eine hohe Wärmeleitfähigkeit und sind sehr anfällig für Oxidation. Das macht sie empfänglicher für Defekte, die mechanische Eigenschaften jedes Materials besonders bei Ermüdungsleistung beeinträchtigen.

Da die Bauausrichtung oft ein wichtiger Faktor für Art, Größe und Häufigkeit der erzeugten Fehler ist, druckten sie ihre Proben vertikal und horizontal.

REM Bild der einzelnen Legierungen
Forscher testeten sie die fünf beliebtesten Aluminiumlegierungspulver AlSi10Mg, Scalmalloy, QuesTek Al, Addalloy® 5T (AD1) und AlF357 (im Bild: Bilder der einzelnen Legierungen)(Bild © Auburn University).

Erkenntnisse

Die Aufbauorientierung hatte keinen signifikanten Einfluss auf die Kornstruktur der Al-Teile. Horizontale Proben wiesen viel höhere Mengen an volumetrischen Defekten auf als ihre vertikalen Gegenstücke. Die geringste Variation der Defektdichte zwischen den vertikalen und horizontalen Aufbauten wiesen Scalmalloy und AD1 zwischen den vertikalen und horizontalen Aufbauten auf, was durch die relativ niedrige Wärmeleitfähigkeit dieser beiden Legierungen erklärt wurde.

Die Studie zeigte, dass AD1 AlSi10Mg, QuesTek Al und AlF357 bezüglich der Ermüdungsleistung unabhängig von der Aufbauorientierung übertraf. Das führten sie auf die geringere Defektdichte, die hohe Zugfestigkeit und die höhere Dehnung von AD1 zurück. Die horizontalen Scalmalloy-Teile wiesen ein etwas schwächeres Ermüdungsverhalten auf als horizontale AD1-Teile. Die vertikalen Proben beider Legierungen hatten vergleichbare Ermüdungslebensdauern.

Horizontaler Aufbau zeigt höhere Porositäten
Horizontale Proben wiesen viel höhere Mengen an volumetrischen Defekten auf als ihre vertikalen Gegenstücke (im Bild: horizontaler Aufbau mit höheren Porositäten)(Bild © Auburn University).

Die Forscher hoffen, mit ihrer Studie AM-Anwendern dabei zu helfen, eine geeignete Al-Legierung zu finden. Österreichische Forscher demonstrierten vor einiger Zeit anhand von „Gorilla-Aluminiumoxid“ die 3D-Druckbarkeit von Aluminiumoxid mit Festigkeit von 1GPa. Erhalten Sie auch zukünftig alle aktuellen Neuigkeiten zu Materialien beim privaten und industriellen 3D-Druck auf unserer Themenseite „Filamente und andere 3D-Druckermaterialien“ sowie „3D-Druck mit Aluminium“ und abonnieren Sie unseren kostenlosen Newsletter.

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