Südkoreanische Forscher der Korea Maritime and Ocean University haben einen Weg gesucht, wie sie Defekte in Hochleistungsmaterialien, die oft rauen Bedingungen standhalten müssen und beim 3D-Druck auftreten können, vermieden werden können. In ihrer Studie konnten die Wissenschaftler durch die Steuerung des Mischungsgradienten der Komponentenmaterialien in funktional abgestuften Materialien die mechanischen Eigenschaften verbessern. Wir fassen die Arbeit zusammen.

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Forscher sind schon lange auf der Suche nach einer zuverlässigen Methode, Defekte in 3D-druckbaren Materialien zu reduzieren. Die University of Arizona hat im Vorjahr ein 3D-Druck-System zur Verhinderung von 3D-Druckfehlern in Echtzeit präsentiert

In einer aktuellen Studie, die in einer Pressemitteilung der Korea Maritime and Ocean University vorgestellt wurde, wurde jetzt ein Weg aufgezeigt, bei der die Steuerung des Mischungsgradienten der Komponentenmaterialien in funktional abgestuften Materialien die mechanischen Eigenschaften verbessern kann.

Sogenannte Functionally Graded Materials (FGMs) sind Hochleistungsmaterialien die ihre Anwendung in der Luft– und Raumfahrt, Automobilindustrie, beim Militär oder der Medizin finden könnten. Da sie üblicherweise extremen Temperatur- und Druckbedingungen standhalten müssen, ist es wichtig, dass sie möglichst fehlerfrei druckbar sind. Indem die Forscher den Gradienten der Elementzusammensetzung manipulieren, sollen Defekte in den FGMs erfolgreich minimiert werden. Ihre Arbeit mit dem Titel „Defect of functionally graded material of inconel 718 and STS 316L fabricated by directed energy deposition and its effect on mechanical properties“ wurde im Fachjournal „Science Direct“ veröffentlicht.

Das richtige Gradientenverhältnis

Laut der Studie kann das Gradientenverhältnis der Komponentenmaterialien mit dem Directed Energy Deposition (DED)-3D-Druckverfahren manipuliert werden, um Hochleistungs-Funktionsmaterialien mit minimalen Defekten zu erhalten. Haben Materialien, die extrem rauen Bedingungen standhalten müssen, Materialfehler, kann das katastrophale Folgen mit sich bringen. Da wenige Materialien mit hohen Temperaturen und hohem Druck nicht zurechtkommen, werden oft Multimaterialien wie FGMs aus einer Kombination verschiedener Materialien genutzt.

Beim 3D-Druck mit mehreren Materialien werden die Komponenten oft schichtweise übereinander aufgetragen. Die unterschiedlichen Eigenschaften der Materialien können jedoch zu Rissen und Poren an den Grenzschichten führen. FGMs sollen das Problem reduzieren, indem sie einen Gradienten zur Änderung der Zusammensetzung des Volumens des Materials hinweg erzeugen. Die Forscher haben eine Methode entwickelt, um ein Hochleistungs-FGM aus Inconel 718 und Edelstahl (STS) 316L zu synthetisieren und Defekte zu minimieren.

Professor Do-Sik Shim erklärte, dass Inconel 718 zwar hervorragende Eigenschaften hat, jedoch sehr teuer ist. Das Mischen mit STS 316L zu einem Hochleistungs-FGM bringt nicht nur die technischen und kommerziellen Vorteile, sondern verbessert die wirtschaftliche Machbarkeit.

Grafische Darstellung ihrer Arbeit
Da FGMs sehr rauen Bedingungen standhalten müssen, ist es wichtig, Defekte in den 3D-Drucken zu minimieren (im Bild: Grafische Darstellung der Arbeit)(Bild © Seung Weon Yang et al.).

Drei Arten von FGMs

In ihrer Arbeit schufen die Forscher drei Arten von FGMs, nicht abgestuft (NG), die eine direkt auf Inconel abgeschiedene STS-Schicht beinhalteten, abgestuft (10) und abgestuft (25), die Mischungsgradienten von 10 % bzw. 25 % aufwies. Es zeigte sich, dass Grenzflächenrisse beim NG-Typ üblich waren, während abgestuft (10) und abgestuft (25) nur in bestimmten Bereichen Risse aufwiesen, die auf den „Übergang von säulenartig zu gleichachsig“ (ein Übergang in der Mikrostruktur des FGM) und Ausfällung oder der Einschluss von Titan-, Aluminium- oder Chromverunreinigungen zurückzuführen waren. Der Typ abgestuft (25) wies die höchste Zugfestigkeit und Dehnung auf.

Sie kamen zu dem Schluss, dass die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften von FGMs vom Gradientenverhältnis der Komponenten abhängig war. Es gelang ihnen, minimale oder gar keine Defekte in FGMs zu erreichen. Die Forscher gehen davon aus, dass ihre Ergebnisse Kosten reduzieren, die Lebensdauer von Komponenten verlängert ebenso wie die Funktionalität.

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