Kombination aus 3D-Druck und Metallguss ermöglicht verbesserte Metall-Verbundstrukturen

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Forscher des Technologie-Laboratorium Oak Ridge National Laboratory (ORNL) im US-Bundesstaat Tennessee haben in Zusammenarbeit mit der Rice University in Houston, Texas, einen Prozess zur Fertigung von stärkeren Metall-Verbundstrukturen entwickelt. Dieser umfasst Additive Fertigung und traditionelle Metallguss-Verfahren.

Der zweistufige Prozess, bei dem Metall-3D-Druck mit Metallguss kombiniert wird, ermöglicht es schadenstolerantere Verbundstrukturen aus zwei verschiedenen Metallen herzustellen und soll bisherige Einschränkungen additiver Fertigungsmethoden, wie intermetallische Verbindungen, Rissbildung oder zu niedrige Auflösung, überwinden.

Die erste Stufe des im Rahmen des Forschungsprojekts „Damage-tolerant metallic composites via melt infiltration of additively manufactured preforms“ entwickelten Verfahrens umfasst die Fertigung einer Gitterstruktur mittels Selektivem Laserschmelzen (SLM). Dieses Gerüst fungiert als eine Art Skelettstruktur für die fertige Komponente. In einem zweiten Schritt erfolgt die Infiltration der Grundstruktur mit flüssigem Metall, das über eine niedrigere Schmelztemperatur als das Metall der Gitterbasis verfügt. In ihren Experimenten verwendeten die Wissenschaftler Edelstahl 316L für den 3D-Druck und die Aluminiumlegierung A365 zum Gießen. Die in der Fachsprache sogenannten Durchdringungsverbundwerkstoffe (Interpenetrating Phase Composites, IPC) weisen optimierte mechanische und physikalische Eigenschaften gegenüber Komponenten aus reinem Aluminium auf.

Tests zur Druckfestigkeit zeigten, dass die Belastungsreaktion der Komponenten durch die Anpassung der Topologie und des Volumenanteils des Gerüsts gesteuert werden kann. Zugprüfungen von Verbundstrukturen mit einem 39%-igen Stahlvolumen haben eine verbesserte Leistung hinsichtlich der Bruchdehnung gegenüber Teilen hergestellt aus reinem Aluminium ergeben.

Die Ergebnisse der Studie lassen darauf schließen, dass sich mit dem Verfahren funktionell abgestufte Komponenten sowie Verbundstrukturen mit thermischen und mechanischen Eigenschaften herstellen lassen, die auf bestimmte Anwendungen abgestimmt sind. Während diese Studie sich primär auf 316L/A356 Verbundmetalle konzentrierte, sehen die Forscher Anwendungsmöglichkeiten des Verfahrens für jegliche andere Metalle, bei denen die Bestandteile unterschiedliche Schmelztemperaturen aufweisen.