Forscher haben die additive Fertigung bzw. den 3D-Druck von Metallen noch nicht vollständig zu einer Wissenschaft gemacht. Lücken in unserem Verständnis darüber, was im Metall während des Prozesses passiert, haben zu inkonsistenten Ergebnissen geführt. Ein neuer Durchbruch könnte jedoch zu einer beispiellosen Beherrschung des 3D-Metalldrucks führen.

Mithilfe zweier verschiedener Teilchenbeschleunigeranlagen haben Forscher des National Institute of Standards and Technology (NIST), des KTH Royal Institute of Technology in Schweden und anderer Institutionen einen Blick in die innere Struktur von Stahl geworfen, während dieser beim 3D-Druck geschmolzen und dann erstarrt wurde. Die in Acta Materiali veröffentlichten Ergebnisse   stellen ein Rechenwerkzeug für 3D-Druck-Profis bereit, das ihnen eine bessere Fähigkeit bietet, die Eigenschaften gedruckter Teile vorherzusagen und zu kontrollieren, was möglicherweise die Konsistenz und Durchführbarkeit der Technologie für die Fertigung in großem Maßstab verbessert   .

Ein gängiger Ansatz zum Drucken von Metallteilen besteht im Wesentlichen darin, Pools aus pulverförmigem Metall mit Lasern Schicht für Schicht in die gewünschte Form zu schweißen. Während der ersten Schritte des Druckens mit einer Metalllegierung, bei denen sich das Material schnell erwärmt und abkühlt, packen sich seine Atome – bei denen es sich um vereinzelte Elemente verschiedener Elemente handeln kann – zu geordneten, kristallinen Formationen. Die Kristalle bestimmen die Eigenschaften wie Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit des gedruckten Teils. Es können unterschiedliche Kristallstrukturen entstehen, jede mit ihren eigenen Vor- und Nachteilen.

„Grundsätzlich können wir, wenn wir die Mikrostruktur während der ersten Schritte des Druckprozesses kontrollieren können, die gewünschten Kristalle erhalten und letztendlich die Leistung additiv gefertigter Teile bestimmen“, sagte NIST-Physiker Fan Zhang, Mitautor der Studie.

Während beim Druckverfahren weniger Material verschwendet wird und kompliziertere Formen hergestellt werden können als bei herkömmlichen Herstellungsmethoden, haben Forscher Schwierigkeiten, zu verstehen, wie man Metall zu bestimmten Kristallarten hinlenkt und nicht zu anderen. 

Dieser Mangel an Wissen hat zu weniger erwünschten Ergebnissen geführt, beispielsweise dazu, dass Teile mit komplexen Formen aufgrund ihrer Kristallstruktur vorzeitig reißen. 

„Von den Tausenden von Legierungen, die üblicherweise hergestellt werden, können nur eine Handvoll mithilfe der additiven Fertigung hergestellt werden“, sagte Zhang.

Ein Teil der Herausforderung für Wissenschaftler bestand darin, dass die Verfestigung beim Metall-3D-Druck im Handumdrehen erfolgt. 

Um das Hochgeschwindigkeitsphänomen einzufangen, verwendeten die Autoren der neuen Studie leistungsstarke Röntgenstrahlen, die von zyklischen Teilchenbeschleunigern, sogenannten Synchrotrons, an der Advanced Photon  Source des Argonne National Laboratory  und der  Swiss Light Sourc des Paul Scherrer Instituts erzeugt wurden . 

Das Team wollte herausfinden, wie die Abkühlgeschwindigkeiten von Metall, die durch Laserleistung und Bewegungseinstellungen gesteuert werden können, die Kristallstruktur beeinflussen. Anschließend verglichen die Forscher die Daten mit den Vorhersagen eines weit verbreiteten Rechenmodells, das in den 1980er Jahren entwickelt wurde und die Erstarrung von Legierungen beschreibt. 

Während das Modell für traditionelle Herstellungsprozesse vertrauenswürdig ist, war sich die Jury nicht sicher, ob es im einzigartigen Kontext der schnellen Temperaturschwankungen des 3D-Drucks anwendbar ist. 

„Synchrotron-Experimente sind zeitaufwändig und teuer, daher kann man sie nicht für alle Bedingungen durchführen, die einen interessieren. Sie sind jedoch sehr nützlich für die Validierung von Modellen, die man dann zur Simulation der interessanten Bedingungen verwenden kann“, sagte Studienmitautorin Greta Lindwall, außerordentlicher Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen am KTH Royal Institute of Technology.

Innerhalb der Synchrotrons richteten die Autoren additive Fertigungsbedingungen für Warmarbeitswerkzeugstahl ein – eine Art Metall, das, wie der Name schon sagt, zur Herstellung von Werkzeugen verwendet wird, die hohen Temperaturen standhalten. 

Während Laser das Metall verflüssigten und verschiedene Kristalle entstanden, untersuchten Röntgenstrahlen die Proben mit ausreichend Energie und Geschwindigkeit, um Bilder des flüchtigen Prozesses zu erstellen. Die Teammitglieder benötigten zwei separate Einrichtungen, um die Kühlraten, die sie testen wollten, zu unterstützen, die von Temperaturen von Zehntausenden bis zu mehr als einer Million Kelvin pro Sekunde reichten. 

Die von den Forschern gesammelten Daten zeigten den Druck und Zug zwischen zwei Arten von Kristallstrukturen, Austenit und Deltaferrit, wobei letzteres mit Rissen in gedruckten Teilen verbunden ist. Als die Abkühlungsraten 1,5 Millionen Kelvin (2,7 Millionen Grad Fahrenheit) pro Sekunde überstiegen, begann Austenit seinen Konkurrenten zu dominieren. Dieser kritische Schwellenwert stimmte mit den Vorhersagen des Modells überein. 

„Das Modell und die experimentellen Daten stimmen gut überein. Als wir die Ergebnisse sahen, waren wir wirklich begeistert“, sagte Zhang. 

Das Modell ist seit langem ein zuverlässiges Werkzeug für die Materialkonstruktion in der traditionellen Fertigung, und nun kann auch der 3D-Druckbereich die gleiche Unterstützung erhalten. 

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Modell Wissenschaftlern und Ingenieuren Informationen darüber geben kann, welche Abkühlraten für die frühen Erstarrungsschritte des Druckprozesses zu wählen sind. Auf diese Weise würde die optimale Kristallstruktur innerhalb des gewünschten Materials entstehen, wodurch der Metall-3D-Druck weniger zu einem Würfelspiel wird. 

„Wenn wir Daten haben, können wir diese zur Validierung der Modelle verwenden. So beschleunigen Sie die weit verbreitete Einführung der additiven Fertigung für den industriellen Einsatz“, sagte Zhang.