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Ein Forschungsprojekt des Argonne National Laboratory in den USA hat sich der Untersuchung von Strukturdefekten in 3D-gedruckten Metallteilen gewidmet. Spezialaufnahmen des 3D-Druck-Prozesses mit 50.000 Bildern pro Sekunde lieferten dabei neue Erkenntnisse.
Die 3D-Drucktechnologie hat das Potential das Design und die Fertigung von Metallbauteilen zu revolutionieren, jedoch stehen die Verfahren noch immer Herausforderungen gegenüber, die es zu lösen gilt. Fertig gedruckte Teile weisen oft strukturelle Defekte auf die Nachbesserung benötigen. Bislang sind nicht alle physikalischen Vorgänge des Verfahrens genau erforscht und oft wird bei der Entwicklung nach dem “Trial-and-Error”-Prinzip vorgegangen.
Wissenschaftler des Argonne National Laboratory des US Department of Energy (DOE), der Carnegie Mellon University und Missouri University haben den laserbasierten 3D-Druckprozess nun genauer unter die Lupe genommen. Dabei wurden sowohl Materialien als auch der eigentliche Laserschmelzprozess des Pulvers untersucht. Erstmals wurde der Vorgang mittels spezieller Aufnahmegeräte in Echtzeit verfolgt.
“Die Interaktion zwischen Laser und Metall läuft sehr rasch ab,” erklärt Tao Sun, Physiker am Argonne Labor. “Glücklicherweise konnten wir den Prozess mit 50.000 Bildern pro Sekunde dank des Hochgeschwindigkeits-Röntgengeräts der Advanced Photon Source Einrichtung festhalten. Wir können die Aufnahmen Bild für Bild untersuchen und sehen wie sich die Mikrostruktur des Materials, speziell Defekte und Poren, formen.”
Das Team konnte damit Eigenschaften wie Größe und Form des Schmelzpools, Pulverausstoß, Verfestigung, Porositätsbildung und Phasenübergänge beobachten. Daraus gezogene Erkenntnisse sollen dabei helfen die Eigenschaften gedruckter Materialien zuverlässig vorauszusagen. Diese Modelle können zudem die Dynamik des Prozesses vorhersehen, wie der Laser das Pulver schmilzt, die Transformation des Pulvers zu Gas und Flüssigkeit etc. Die gesammelten Informationen sollen dazu beitragen das Verfahren und seine Zuverlässigkeit zukünftig zu verbessern. Zudem sollen auch neue Möglichkeiten sowie Materialien auslotet werden.
“Die Industrie muss sich derzeit auf eine Reihe von bestimmten Metalllegierungen beschränken,” sagt Aaron Greco, Materialwissenschaftler und Projektleiter. “Aber was ist mit neuen Materialien? Wenn man die physikalischen Eigenschaften versteht die mit dem 3D-Druck neuer Legierungen verbunden sind, können diese in den Prozess übernommen werden um die Zuverlässigkeit der Ergebnisse schneller zu verbessern.”
Die Studie mit dem Titel “Real-time monitoring of laser powder bed fusion process using high-speed x-ray imaging and diffraction” wurde in Scientific Reports veröffentlicht.
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