Fabrisonic verwendet UAM-3D-Druckprozess, um FGMs zu erzeugen

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Metal-based Functionally Graded Materials (FGMs) waren vor dem Aufkommen der additiven Fertigung etwas von einer theoretischen Übung. Viele Anwendungen von FGMs wurden konzipiert, aber nur wenige sind in die Produktion gegangen. Die Idee besteht darin, ein Verbundmaterial herzustellen, indem zwei oder mehr unabhängige Metalle durch die Dicke mit einem spezifischen Gradienten verwoben werden. Durch das Verweben mehrerer Metalle kann das resultierende Produkt die besten Eigenschaften beider Bestandteile kombinieren. Die zu optimierende Materialeigenschaft kann Wärmeleitfähigkeit, Festigkeit, Zähigkeit oder Korrosionsbeständigkeit sein. Während das Schichten verschiedener Metalle lokal stattfindet, ist es das Ziel, die globalen Eigenschaften der Komponente zu beeinflussen oder eine Optimierung an einer bestimmten Stelle des Teils bereitzustellen.

Das Know-how von Fabrisonic liegt in einem Metalldruckverfahren, das eine Niedertemperatur-, Festkörper- oder nicht schmelzende Schweißtechnologie verwendet. Ultraschall Additive Manufacturing (UAM) ermöglicht das „Drucken“ von dünnen Metallfolien, um bei Temperaturen in der Nähe von Umgebungstemperatur feste Metallteile aufzubauen. Die Bindung ermöglicht das Verbinden unterschiedlicher Metalle ohne die unerwünschten metallurgischen Wechselwirkungen, die bei anderen additiven schmelzenden Prozessen beobachtet werden. Eine große Auswahl an Materialkombinationen kann in einem einzigen Teil gedruckt werden, wodurch der Designraum geöffnet wird, um Eigenschaftsgradienten und konstruiertes Material zu ermöglichen.

UAM-Fähigkeit wurde in vielen Anwendungen verwendet, um die Möglichkeit von FGMs zu nutzen. Ein Lehrbuchbeispiel beinhaltete die Zusammenarbeit mit dem US Army Research Lab (ARL). UAM wurde verwendet, um verschiedene Zusammensetzungen von Aluminium und Titan aufzubauen. Die Experten von ARL waren in der Lage, das ballistische Verhalten zu simulieren und eine „Formel“ zu entwickeln, die die beste Mischung aus Festigkeit und Duktilität durch die Dicke bietet. UAM wurde dann verwendet, um jedes gewünschte „Rezept“ zu drucken, und große Platten bestanden strenge ballistische Anforderungen.

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Querschnitt eines Aluminium / Titan-Gradienten (links) und ballistische Prüfung einer solchen Platte (rechts) Foto: Fabrisonic

Eine breite Palette von thermischen Anwendungen hat auch individualisierte FGMs hervorgebracht. Insbesondere sind Kühlsysteme für Elektronikgehäuse ausgereift für die Kombination von UAM und unähnlichen Metallen. Aluminium- und Kupfer-FGMs werden regelmäßig verwendet, um Hochleistungswärmetauscher zu erzeugen. Durch das Drucken von Kupfer an strategischen Standorten können Konstrukteure die Wärme an einem kritischen Ort ableiten, ohne die gesamte Struktur aus teurem und schwerem Kupfermaterial (Leichtbau) bauen zu müssen. Gleichzeitig können 3D-gedruckte FGMs in Luft- und Raumfahrtanwendungen zur elektronischen Abschirmung verwendet werden. Durch die Verwebung von Schichten aus Tantal oder Wolfram auf einer Aluminiumplatte kann empfindliche Elektronik vor schädlicher Strahlung geschützt werden. Sowohl thermische als auch radhärtende FGMs können gleichzeitig im selben Panel gedruckt werden, wodurch die Leistung weiter optimiert wird.

Ein anderes thermisches Beispiel ist der variierende CTE (Wärmeausdehnungskoeffizient) durch die Dicke auf einer kalten Platte. Die meisten Kühlplatten in der Industrie bestehen aus Aluminium oder Kupfer, die drastisch andere Wärmeausdehnungskoeffizienten haben als elektronische Gehäuse (hauptsächlich Silizium). Durch die Verwebung von Molybdän und Invar durch die Dicke können FGMs erzeugt werden, um eine optimierte Wärmeleitfähigkeit zu ermöglichen, ohne hohe thermische Spannungen über die Grenzfläche zu induzieren.

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Al / Cu-Gradienten in thermischen Geräten (links) verwoben Aluminium und Kupfer. Die Kühlmittelkanäle verlaufen direkt durch das Kupfer für Leitfähigkeit, aber der Großteil des Teils ist Aluminium für Gewicht (Mitte) Al / Ta-Laminat für Strahlungsabschirmung auf einem Elektronikpaket (rechts) Foto: Fabrisonic

Zusätzlich zu FGMs, die vollständig aus Metall bestehen, kann UAM verwendet werden, um andere Materialien zu integrieren. Neuere Arbeiten konzentrierten sich auf das Drucken keramischer Fasern in eine Metallmatrix, wodurch ein Metallmatrix-Verbundstoff (MMC) erzeugt wurde. Dies ist vergleichbar mit dem Hinzufügen von Bewehrungsstahl zu Beton, da die Keramik die 5- bis 10-fache Stärke des monolithischen Aluminiums haben kann. Durch Bedrucken der Keramik in bestimmten hochbelasteten Bereichen kann der gesamte Teil so leicht wie möglich gemacht werden. Es wurde auch gezeigt, dass die eingebettete Keramik eine Ermüdungslebensdauerverbesserung von mehreren Größenordnungen bewirkt.

UAM ist auch einzigartig in anderen Funktionen:

– Die Fähigkeit, Sensoren und Elektronik in einer festen Metallstruktur ohne Beschädigung einzubetten. Da der Prozess nur etwa 120 °C erreicht, ermöglicht die niedrige Temperatur das Einbetten von Thermoelementen, Lichtwellenleitern, USB-Ports und mehr für die Gesundheitsüberwachung.

– Erstellen komplexer interner Geometrie. Mit einer CNC-Bühne können Innen- und Außenflächen für einen geringen Druckverlust in Wärmetauschern völlig glatt gefräst werden. Fabrisonic baut sich in die Endform ein und kommt dann mit einer CNC zur Vollendung der Teileform nach genauen Spezifikationen. Durch die Kombination des Subtraktiven mit dem Additiv erhalten wir unseren Hybridprozess.

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