Echtzeit-Auswertung der Restdehnung verbessert 3D-gedruckte Metallteile

Forscher optimieren Industriedesigns, um mithilfe der additiven Fertigung effizientere Teile herzustellen. Bei der nach dem 3D-Druck benötigten Wärmebehandlung werden die Teile vor einer zu großen Dehnung geschützt. Zu viel Wärme kann jedoch unerwünschte strukturelle Veränderungen verursachen. Mit Hilfe der Neutronenbeugung maßen die Forscher die Dehnung im Inneren von Proben aus AM-geformtem Inconel 625, einer gängigen Metalllegierung.

Anschließend nutzten sie die Neutronenbildgebung, eine ergänzende Technik, um die optimalen Glühzeiten und -temperaturen zu bestimmen, die die Dehnung verringern und gleichzeitig andere unerwünschte Veränderungen in den Materialien minimieren.

Die Auswirkungen

Durch die richtige Wärmebehandlung werden Teile schneller geglüht, ohne ihre strukturelle Integrität zu beeinträchtigen. Wissenschaftler können Daten aus der Neutronenstreuung nutzen, um besser zu verstehen, wie Wärmebehandlungszyklen für Teile zu gestalten sind. Daten aus der Neutronenstreuung validieren Computermodelle, die die Menge und Verteilung der während des AM-Prozesses gebildeten Restspannung simulieren. Das neue Modell kann genauer vorhersagen, ob eine geringfügige Änderung des Designs eines Teils dessen Festigkeit erhöht, indem es die Bildung von Restspannungen während der Produktion minimiert. Das neue Modell kann auch angeben, ob eine Änderung des Durchmessers des AM-Laserstrahls oder der Geschwindigkeit, mit der er sich bewegt, die Produktionsqualität verbessert.

Laserbasiertes AM kann zu Restspannungen in Metallteilen führen, die durch schnelles Erhitzen und Abkühlen verursacht werden. Eine anschließende Wärmebehandlung oder ein Glühen der Metallteile verringert die Dehnung. Die Forscher von General Electric (GE) mussten besser verstehen, wo sich die Restspannung bildet und bei welchen Temperaturen geglüht werden sollte, um die Spannung zu verringern, damit das Komponentendesign sowie die Glühzeit und -temperatur optimiert werden können. Wissenschaftler von GE Global Research, der University of California, Berkeley, und der Spallation Neutron Source, einer Einrichtung des Department of Energy (DOE) Office of Science am Oak Ridge National Laboratory (ORNL), führten Neutronenexperimente und Computermodelle durch, um den AM- und Glühprozess zu verstehen. Sie nutzten die Neutronenbeugung, um die Restdehnung in Proben einer gängigen Metalllegierung, Inconel 625, zu bestimmen. Die Forscher führten die ersten Experimente zur Neutronenkalibrierung an der NOBORU-Beamline im Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) durch. Mit Hilfe der Neutronenbildgebung konnten sie dann die Proben während des Glühens in einem Hochtemperaturofen in Echtzeit beobachten. Die Neutronen durchdrangen die Wände des Ofens und ermöglichten es, die Dehnungsrelaxation im gesamten Teil während des Glühens abzubilden.

Die Forscher verglichen die gemessenen Spannungen mit Computersimulationen. Sie führten Simulationen des AM-Prozesses durch, um die Eigenspannungsverteilung innerhalb der Proben in Abhängigkeit von den Prozessparametern vorherzusagen. Vergleiche der Simulationsergebnisse mit den experimentellen Messungen bei Raumtemperatur zeigten gute Übereinstimmungen, wenn die Simulationsdaten über das Volumen des Teils gemittelt werden, was die Nützlichkeit der Experimente zur Validierung der Simulationsergebnisse bestätigt. Die Ergebnisse helfen GE bei der Validierung seiner Computermodelle und bei der Anpassung der Bauteilkonstruktion, um die Bildung von Restspannungen während der additiven Fertigung zu reduzieren. Diese Daten ermöglichen es GE außerdem, seine Produkte zu glühen und die Dehnungsrelaxation zu optimieren, ohne unerwünschte strukturelle Probleme zu verursachen.

Finanzierung

Diese Forschung wurde vom DOE Office of Science, dem GE Global Research Center, der University of California in Berkeley und der Japan Atomic Energy Agency unterstützt. Die Neutronenstreuung wurde an der Spallationsneutronenquelle, einer vom ORNL betriebenen Einrichtung des DOE Office of Science, und am NOBORU (J-PARC) Instrument der japanischen Spallationsneutronenquelle durchgeführt. Die Arbeit an der Entwicklung der energieaufgelösten Bildgebung und des MCP/Timepix-Detektors an der Universität von Kalifornien in Berkeley wurde teilweise durch Forschungszuschüsse des DOE finanziert.

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