Neues Verfahren hilft 3D

Obwohl die 3D-Drucktechnologie die effiziente Herstellung komplexer Metallteile ermöglicht, verformen sich solche Gegenstände häufig, wenn sie beansprucht und erhitzt werden. Dank einer neuen Technik, die am MIT entwickelt wurde, könnte dies jedoch bald nicht mehr der Fall sein.

Das Problem bestehender 3D-gedruckter Metallkomponenten liegt in einem Phänomen namens „Kriechen“, bei dem anhaltende mechanische Belastung und hohe Hitze dazu führen, dass sich Metalle dauerhaft verformen. Kriechen tritt besonders dann auf, wenn das Metall aus feinen Körnern besteht, was bei 3D-gedrucktem Metall der Fall ist.

Unter der Leitung von Prof. Zachary Cordero hat ein Team am MIT einen Wärmebehandlungsprozess entwickelt, der diese Körner größer und damit weniger anfällig für Kriechen macht. Es handelt sich um eine Variation einer bestehenden Technik, die als gerichtete Rekristallisation bekannt ist.

In Labortests wurden 3D-gedruckte Stäbe aus einer Nickellegierung zunächst in ein Wasserbad mit Raumtemperatur direkt unter einer Induktionsspule gelegt und dann langsam mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten direkt durch die Spule nach oben gezogen. Dadurch wurde ein Teil jedes Stabs auf Temperaturen zwischen 1.200 °C und 1.245 °C (2.192 °F bis 2.273 °F) erhitzt, wodurch ein steiler Wärmegradient innerhalb des Metalls zwischen der Spule und dem Wasser entstand.

Dieser Gradient wiederum führte dazu, dass sich die mikroskopisch kleinen Körner des Metalls in viel größere „säulenförmige“ Körner verwandelten. Wie das Wort schon sagt, hatten die neuen Körner die Form von Säulen, die an der Achse der größten Spannung im Metall ausgerichtet waren.

Bei den Stäben stellte sich heraus, dass die optimale Wirkung bei einer Temperatur von 1.235 ºC (2.255 ºF) und einer Ziehgeschwindigkeit von 2,5 mm pro Stunde eintritt – die Wissenschaftler arbeiten daran, diese Geschwindigkeit zu steigern. Es versteht sich von selbst, dass andere Kombinationen für andere Metalle wahrscheinlich besser funktionieren würden. Abhängig von der beabsichtigten Verwendung des 3D-gedruckten Teils könnte die Kornstruktur innerhalb eines einzelnen Artikels tatsächlich variiert werden, indem die Temperatur und die Geschwindigkeit während der Behandlung geändert werden.

Geplant ist nun, die Technologie an Strukturen zu testen, die den Schaufeln von Gasturbinen oder Strahltriebwerken ähneln und ständiger mechanischer Belastung und hoher Hitze standhalten müssen. Sollten sie sich tatsächlich als weniger anfällig für Kriechen erweisen, könnte dies den Weg für bessere, effizientere Designs ebnen.

„Neue Schaufel- und Leitschaufelgeometrien werden energieeffizientere landgestützte Gasturbinen und schließlich auch Flugtriebwerke ermöglichen“, sagte Cordero. „Grundsätzlich könnte dies allein durch eine verbesserte Effizienz dieser Geräte zu geringeren Kohlendioxidemissionen führen.“

Ein Artikel zu dieser Forschung wurde kürzlich in der Fachzeitschrift Additive Manufacturing veröffentlicht.

Source: MIT