Bläschen im Material durch DED-Verfahren: Eine neue Studie deckt die Ursache auf
Es existiert mittlerweile eine Vielfalt verschiedener 3D-Druckverfahren, die in einer Vielzahl an Bereichen Anwendung finden. Ein insbesondere für die Reparatur oder die Beschichtung von Metallobjekten wie beschädigten Turbinenschaufeln von Düsenflugzeugen relevantes 3D-Druckverfahren ist die Materialabscheidung unter konzentrierter Energie, auch unter dem Namen Directed Energy Deposition (DED) bekannt. Es wird zudem etwa in Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie, Schifffahrt sowie der Biomedizin angewendet. Die Funktionsweise des Verfahrens besteht darin, Materialien in Form von Pulver oder Draht zu schmelzen und Schicht für Schicht auf Oberflächen eines Werkstücks aufzutragen. Die Entstehung von Luftbläschen im Material beeinflussten bislang jedoch seine langfristige Leistung und Lebensdauer und folglich die Sicherheit. Innerhalb einer Studie untersuchte man nun die Ursachen für die Bildung der Bläschen im Laufe des Verfahrens.
Um die Anwendung des DED-Verfahrens in der Industrie einwandfreier zu gestalten, untersuchte Dr. Chinnapat Panwisawas an der Queen Mary University of London die Entstehung der Porosität, welche bislang nicht erklärt werden konnte. Im Rahmen der Studie arbeiteten darüber hinaus weitere internationale Parteien zusammen, nämlich das Research Complex in Harwell (UK), ESRF-The European Synchrotron (Frankreich), RMIT (Australien), Diamond Light Source (UK), Rolls Royce plc (UK) und die Shimane University (Japan). Dabei gelang es, fünf Abläufe zu entdecken, die zur Bildung, Bewegung und zum Wachstum der Bläschen bzw. Poren führen. Die Erkenntnisse ergaben sich durch die Zuhilfenahme von In-situ-Röntgenbildern, deren Validierung durch eine Multiphysik-Modellierung vorgenommen wurde, und durch welche sich nun Strategien entwickeln lassen, die Bläschen im Material in Zukunft zu reduzieren. Schließlich könnten aus der Studie Technologien zur Regeneration und Reparatur resultieren.
Bild: Queen Mary University of London
Wie entstehen die Bläschen im Material im DED-Verfahren?
Durch die Studie ergaben sich Erklärungen, wie sich die Bläschen oder porenähnlichen unerwünschten Strukturen im Material entwickeln. Man erkannte, dass die Bläschen aus dem gaszerstäubten Pulver in das Schmelzbad gelangen, woraufhin sie seitlich oder kreisförmig zu wandern beginnen und die einzelnen Bläschen sich zu größeren zusammentun oder von Erstarrungsfronten eingeschlossen werden. Die deutlich an Größe gewonnenen Bläschen sind in der Lage, deutlich längere Zeit im Schmelzbad bestehen zu bleiben. Dies rührt aus der Tatsache, dass sie von der Fläche zwischen dem Material in den verschiedenen Aggregationszuständen – fest und flüssig – beiseite geschoben werden. Des Weiteren platzen die größeren Bläschen nicht heraus, da die Scherströmung an der Marangoni-Oberfläche – welche die Bewegung der Flüssigkeit darstellt, wenn das Material schmilzt und sich ansammelt – dies verhindert. Dies führt im Endeffekt zum Aufstieg der großen Bläschen von der Oberfläche des Beckens und zu den resultierenden Poren im Material, wenn die Bläschen in den DED-Spuren eingeschlossen werden. Dr. Chinnapat Panwisawas, Senior Lecturer in Materials and Solid Mechanics an der Queen Mary’s School of Engineering and Materials Science, äußerte sich mit folgenden Worten zu den neuen Erkenntnissen:
Dieses Wissen ist entscheidend, um das volle Potenzial von DED zu erschließen. Durch die Minimierung der Porosität können wir die mechanischen Eigenschaften von Bauteilen verbessern, was DED zu einer praktikablen Option für sicherheitskritische Anwendungen macht und letztlich zur Herstellung stärkerer, sicherer und zuverlässigerer Bauteile in verschiedenen Industriezweigen führt.
Für mehr Informationen klicken Sie HIER, um zur Studie und HIER, um zum Artikel der Queen Mary University of London zu gelangen.
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*Titelbildnachweis: Nature Communications
