Die Forscher untersuchten systematisch die Auswirkungen der Legierungszusammensetzung auf die Druckbarkeit und Erstarrung von Mikrostrukturen, um besser zu verstehen, wie sich Legierungszusammensetzung, Prozessvariablen und Thermodynamik auf additiv gefertigte Teile auswirken. Durch 3D-Druckexperimente definierten sie die Legierungschemie und Prozessparameter, die erforderlich sind, um die Legierungseigenschaften zu optimieren und überlegene, identische Teile im Mikromaßstab zu drucken. Mithilfe von maschinellem Lernen haben sie eine Formel erstellt, die mit jeder Art von Legierung verwendet werden kann, um Ungleichmäßigkeiten zu vermeiden.
Eine neue Methode, die von Forschern von Texas A&M entwickelt wurde, optimiert die Legierungseigenschaften und Prozessparameter, um überlegene 3D-gedruckte Metallteile herzustellen. Hier gezeigt ist eine kolorierte elektronenmikroskopische Aufnahme einer Nickelpulverlegierung, die in der Studie verwendet wurde. Mit freundlicher Genehmigung von Raiyan Seede.
Eine neue Methode, die von Forschern von Texas A&M entwickelt wurde, optimiert die Legierungseigenschaften und Prozessparameter, um überlegene 3D-gedruckte Metallteile herzustellen. Hier gezeigt ist eine kolorierte elektronenmikroskopische Aufnahme einer Nickelpulverlegierung, die in der Studie verwendet wurde. Mit freundlicher Genehmigung von Raiyan Seede.

Legierungsmetallpulver, die für die additive Fertigung verwendet werden, können eine Mischung von Metallen wie Nickel, Aluminium und Magnesium in unterschiedlichen Konzentrationen enthalten. Beim 3D-Drucken mit Laserbett-Pulverfusion kühlen diese Pulver schnell ab, nachdem sie durch einen Laserstrahl erhitzt wurden. Die verschiedenen Metalle im Legierungspulver haben unterschiedliche Kühleigenschaften und erstarren unterschiedlich schnell. Diese Inkonsistenz kann zu mikroskopischen Fehlern oder Mikrosegregation führen.

„Wenn das Legierungspulver abkühlt, können die einzelnen Metalle ausfallen“, sagt der Forscher Raiyan Seede. „Stellen Sie sich vor, Sie gießen Salz in Wasser. Es löst sich sofort auf, wenn die Salzmenge gering ist, aber wenn Sie mehr Salz einfüllen, beginnen die überschüssigen Salzpartikel, die sich nicht auflösen, als Kristalle auszufallen. Im Wesentlichen passiert das in unseren Metalllegierungen, wenn sie nach dem Drucken schnell abkühlen.“ Seede sagte, dass dieser Fehler als winzige Taschen auftritt, die eine etwas andere Konzentration der Metallbestandteile enthalten als in anderen Bereichen des gedruckten Teils.

Die Forscher untersuchten die Erstarrungsmikrostrukturen von vier binären Nickelbasislegierungen. In Experimenten untersuchten sie die physikalische Phase jeder Legierung bei unterschiedlichen Temperaturen und bei steigenden Konzentrationen des anderen Metalls in der Nickelbasislegierung. Anhand detaillierter Phasendiagramme ermittelten die Forscher die chemische Zusammensetzung jeder Legierung, die bei der additiven Fertigung die geringste Mikroseigerung verursachen würde.

Als nächstes schmolzen die Forscher eine einzelne Spur des Legierungsmetallpulvers bei verschiedenen Lasereinstellungen und bestimmten die Parameter des Laserpulverbett-Fusionsprozesses, die porositätsfreie Teile liefern würden.
Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines einzelnen Laserscan-Querschnitts einer Nickel- und Zinklegierung. Hier verschachteln dunkle, nickelreiche Phasen hellere Phasen mit einheitlicher Mikrostruktur. Auch in der Schmelzbadstruktur ist eine Pore zu beobachten. Mit freundlicher Genehmigung von Raiyan Seede.
Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines einzelnen Laserscan-Querschnitts einer Nickel- und Zinklegierung. Dunkle, nickelreiche Phasen verschachteln hellere Phasen mit einheitlicher Mikrostruktur. Auch in der Schmelzbadstruktur ist eine Pore zu beobachten. Mit freundlicher Genehmigung von Raiyan Seede.

Die aus den Phasendiagrammen gewonnenen Informationen, kombiniert mit den Ergebnissen aus den einspurigen Experimenten, lieferten dem Team eine umfassende Analyse der Lasereinstellungen und Nickelbasislegierungszusammensetzungen, die ein porositätsfreies gedrucktes Teil ohne Mikroseigerung ergeben könnten.

Als nächstes trainierten die Forscher Modelle für maschinelles Lernen, um Muster in den einspurigen experimentellen Daten und Phasendiagrammen zu identifizieren, um eine Gleichung für die Mikroseigerung zu entwickeln, die mit jeder Legierung verwendet werden könnte. Seede sagte, dass die Gleichung entwickelt wurde, um das Ausmaß der Seigerung in Anbetracht des Erstarrungsbereichs der Legierung und der Materialeigenschaften sowie der Leistung und Geschwindigkeit des Lasers vorherzusagen.

„Wir tauchen tief in die Feinabstimmung der Mikrostruktur von Legierungen ein, damit die Eigenschaften des endgültigen gedruckten Objekts in einem viel feineren Maßstab als zuvor besser kontrolliert werden können“, sagte Seede.

Mit der zunehmenden Verwendung von Legierungen in AM steigen auch die Herausforderungen beim Drucken von Teilen, die die Fertigungsqualitätsstandards erfüllen oder übertreffen. Die Texas A&M-Studie wird es Herstellern ermöglichen, die Legierungschemie und Prozessparameter zu optimieren, sodass Legierungen speziell für die additive Fertigung entwickelt werden können und Hersteller Mikrostrukturen lokal steuern können.

„Unsere Methodik erleichtert den erfolgreichen Einsatz von Legierungen unterschiedlicher Zusammensetzungen für die additive Fertigung, ohne sich um die Einführung von Fehlern selbst im Mikromaßstab kümmern zu müssen“, sagte Professor Ibrahim Karaman. „Diese Arbeit wird für die Luft- und Raumfahrt-, Automobil- und Verteidigungsindustrie von großem Nutzen sein, die ständig nach besseren Möglichkeiten zur Herstellung kundenspezifischer Metallteile sucht.“

Professor Raymundo Arroyavé und Professor Alaa Elwany, die bei der Forschung mit Seede und Karaman zusammengearbeitet haben, sagten, dass die Methodik von der Industrie leicht angepasst werden kann, um robuste, fehlerfreie Teile mit der Legierung ihrer Wahl zu bauen.