Wissenschaftler entwickeln Schnell-Screening-Verfahren für neue Legierungen im Metall-3D-Druck

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Forscher der Carnegie Mellon University (CMU) in den USA haben ein schnelles Screening-Verfahren zur Bewertung neuer Legierungen für additive Fertigungsverfahren mit Metall entwickelt.

Trotz weiterentwickelter Verfahren und innovativer Designparameter bleibt der Aspekt der Materialen im Metall-3D-Druck weitgehend konventionell. Derzeit verwendete Materialien, wie beispielsweise die Titanlegierung Ti-6AL-4V, wurden bereits vor Jahrzehnten für traditionelle Fertigungsverfahren entwickelt. Daher drängen Fertigungsunternehmen auf die Entwicklung neuer Metallpulver speziell abgestimmt auf additive Verfahren und der damit verbundenen schnellen Erstarrungsgeschwindigkeit.

Derzeit ist die Entwicklung neuer Metallpulver für den 3D-Druck jedoch zeitaufwändig und teuer, wie Bryan Webler, Assistant Professor für Materialwissenschaften und Werkstofftechniken erklärt:

„Es ist sehr schwierig neue Materialien für die additive Fertigung zu entwickelt, da der Evaluierungsprozess neuer Legierungen eine große Menge Pulver erfordert. Mindestens einhundert Pfund Pulver werden pro Zusammensetzung benötigt, um alle Prozessvariablen in Verbindung mit diesem Material zu testen. Dies ist sowohl teuer als auch zeitintensiv.“

Auch auf Forschungsebene ist es nicht einfach und effizient kleinere Mengen an Pulver für jede mögliche Materialzusammensetzung zu produzieren, die Tests unterzogen werden muss. Die Validierung sollte also über rechnerische und experimentelle Ansätze erfolgen um mögliche Zusammensetzungen Testverfahren zu unterziehen, bevor Probechargen in einer größeren Menge produziert werden.

Mit dem neuen Schnell-Screening-Prozess haben die CMU-Forscher eine Methode für den experimentellen Ansatz entwickelt. Statt Pulver wird dabei solides Metall zur Herstellung von kleinen Scheiben mittels Lichtbogenschmelzverfahren verwendet.

„Diese Screening-Methode ermöglicht es uns den Zusammenhang zwischen Prozessvariablen und Legierungszusammensetzung schneller zu verstehen,“ fügt Webler hinzu.

Bis zu 16 dieser Scheiben können in einem 3D-Drucker platziert werden um Bahnen und Kreise von erneut geschmolzenem Material auf jeder Scheibe zu produzieren. Dabei werden eine Reihe von Prozessvariablen wie Laserstärke und Reisegeschwindigkeit getestet. Nach Charakterisierung des Schmelzbades können erste Einblicke in die Reaktion der Legierung hinsichtlich der schnellen Erstarrungsgeschwindigkeit beim 3D-Druck gewonnen werden.