Kostengünstigerer 3D-gedruckter Stahl ohne „Erhitzen und Klopfen“
Auch wenn sich der 3D-Druck von Metall immer größerer Beliebtheit erfreut, insbesondere bei der Herstellung komplexer Metallformen, gibt es immer noch Hindernisse zu überwinden. Ein wesentliches sind die hohen Produktionskosten, die zum Beispiel durch die Notwendigkeit einer umfangreichen Nachbearbeitung zur Verbesserung der Eigenschaften des Endprodukts entstehen. Zum Glück haben Forscher der Universität Cambridge eine Lösung gefunden. Sie haben ein neues 3D-Druckverfahren für Metalle entwickelt und an Stahl getestet, das ihrer Meinung nach dem Erhitzen und Klopfen sogar überlegen ist.
Wie der Name schon andeutet, bezieht sich das Erhitzen und Klopfen auf den Prozess, bei dem das Material mit einem Hammer gehärtet und dann durch Feuer erweicht wird. Denken Sie an die traditionellen Schmiede, wie Sie sie vielleicht in historischen Nachstellungen gesehen haben, die dieses Verfahren häufig auch für die Herstellung von Teilen wie Schwertern oder Hufeisen verwendeten. Dieses Verfahren hat jedoch auch seine Nachteile, insbesondere ist es weniger effizient als Verfahren wie der 3D-Druck von Metall und eignet sich nicht für besonders komplizierte Teile.
Eine konzeptionelle Illustration des Forschungsteams, um zu zeigen, wie diese Bearbeitungsstrategien beim Laser-Pulverbettschmelzen eingesetzt werden könnten
Es gibt jedoch einen Grund, warum diese traditionellen Verfahren so lange überdauert haben. Der Leiter dieses Projekts, Dr. Matteo Seita von der Fakultät für Ingenieurwissenschaften in Cambridge, erklärt: „Der Grund, warum das Erhitzen und Klopfen so effektiv ist, liegt darin, dass es die innere Struktur des Materials verändert und die Kontrolle über seine Eigenschaften ermöglicht. Deshalb wird es auch noch nach Tausenden von Jahren verwendet.“
Aber bald vielleicht nicht mehr. Die Idee ist, einen der größten Nachteile der 3D-Drucktechniken zu überwinden, nämlich die Tatsache, dass man die innere Struktur des Materials nicht in gleicher Weise kontrollieren kann. Dies ist einer der Gründe, warum beim 3D-Druck von Metallen immer eine Nachbearbeitung wie zum Beispiel eine Wärmebehandlung erforderlich ist. Wenn man einen Weg findet, diese Fähigkeit zur Strukturbildung ohne „Erhitzen und Klopfen“ wiederherzustellen, würden nicht nur die Kosten gesenkt, sondern auch die Möglichkeit, die Eigenschaften zu kontrollieren, würde es leichter machen, die umweltfreundlicheren Aspekte des 3D-Drucks zu nutzen, so Seita.
Entwicklung eines neuen 3D-Druckverfahrens für Metall, das dem „Heizen und Klopfen“ überlegen ist
Die Forscher hoffen, dass dieses neue Verfahren dazu beitragen könnte, den 3D-Metalldruck als Option für die gesamte Metallverarbeitungsindustrie noch attraktiver zu machen. In Zusammenarbeit mit Teams der Nanyang Technological University, der Agency for Science, Technology and Research (A*STAR), des Paul-Scherrer-Instituts, des VTT Technical Research Centre of Finland und der Australian Nuclear Science & Technology Organisation gelang es dem Team in Cambridge, ein „Rezept“, wie sie es nennen, für den 3D-Druck von Metall zu entwickeln, das dennoch ein hohes Maß an Kontrolle über die innere Struktur ermöglicht.
Um dies zu erreichen, setzten Seita und sein Team speziell Laser ein. Indem sie das Material mit einem Laser schmelzen und dann die Art und Weise, wie das Material nach dem Schmelzen erstarrt, sowie die während des Prozesses erzeugte Wärmemenge steuern, können die Forscher die gewünschten Eigenschaften des Endmaterials „programmieren“. Seita erklärte weiter: „Wir haben festgestellt, dass der Laser als ‚mikroskopischer Hammer‘ verwendet werden kann, um das Metall während des 3D-Drucks zu härten. Wenn das Metall jedoch ein zweites Mal mit demselben Laser geschmolzen wird, entspannt sich die Struktur des Metalls, so dass die strukturelle Rekonfiguration stattfinden kann, wenn das Teil in den Ofen gelegt wird.“
Das Ergebnis? 3D-gedruckte Teile, die nicht nur inhärent fest, sondern auch nicht mehr spröde sind (was häufig der Fall ist). Das Verfahren ermöglicht die vollständige Kontrolle über Festigkeit und Robustheit durch die Kombination herkömmlicher lasergestützter 3D-Drucktechnologien und eines Ofens mit relativ niedriger Temperatur. Erste Versuche haben auch gezeigt, dass der 3D-gedruckte Stahl eine vergleichbare Leistung aufweist wie Stahl, der durch Erhitzen und Klopfen hergestellt wird. Seita schloss:
Wir glauben, dass diese Methode dazu beitragen könnte, die Kosten für den 3D-Druck von Metallen zu senken, was wiederum die Nachhaltigkeit der metallverarbeitenden Industrie verbessern könnte. Wir hoffen, dass wir in naher Zukunft auch in der Lage sein werden, die Niedrigtemperaturbehandlung im Ofen zu umgehen und so die Anzahl der erforderlichen Schritte vor der Verwendung von 3D-gedruckten Teilen in technischen Anwendungen weiter zu reduzieren.
Mehr über die Studie, die in Nature Communications veröffentlicht wurde, erfahren Sie HIER.
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