Martensit-Stahlpulver für den 3D-Druck. Der Einschub zeigt eine vergrößerte Ansicht des Stahlpulvers. Bildnachweis: Raiyan Seede / Texas A & M University College of Engineering

Seit Jahrtausenden optimieren Metallurgen die Inhaltsstoffe von Stahl akribisch, um seine Eigenschaften zu verbessern. Infolgedessen gibt es heute mehrere Stahlvarianten; Ein Typ, der martensitischer Stahl genannt wird, hebt sich von seinen Cousins ​​aus Stahl als stärker und kostengünstiger in der Herstellung ab. Martensitische Stähle eignen sich daher natürlich unter anderem für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, in der Automobilindustrie und in der Verteidigungsindustrie, wo hochfeste, leichte Teile hergestellt werden müssen, ohne die Kosten zu erhöhen.

Für diese und andere Anwendungen müssen die Metalle jedoch in komplexe Strukturen mit minimalem Verlust an Festigkeit und Haltbarkeit eingebaut werden. Forscher der Texas A & M University haben jetzt in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern des Air Force Research Laboratory Richtlinien entwickelt, die den 3-D-Druck von martensitischen Stählen zu sehr stabilen, fehlerfreien Objekten nahezu jeder Form ermöglichen.

„Starke und zähe Stähle haben enorme Anwendungsmöglichkeiten, aber die stärksten sind normalerweise teuer – die einzige Ausnahme bilden martensitische Stähle, die relativ kostengünstig sind und weniger als einen Dollar pro Pfund kosten“, sagte Dr. Ibrahim Karaman, Chevron-Professor I und Abteilungsleiter für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik. „Wir haben ein Gerüst entwickelt, damit der 3D-Druck dieser harten Stähle in jede gewünschte Geometrie möglich ist und das endgültige Objekt praktisch fehlerfrei ist.“

Obwohl das entwickelte Verfahren ursprünglich für martensitische Stähle entwickelt wurde, haben Forscher von Texas A & M erklärt, dass sie ihre Richtlinien so allgemein gehalten haben, dass dieselbe 3D-Druckpipeline auch zum Erstellen komplizierter Objekte aus anderen Metallen und Legierungen verwendet werden kann.

Die Ergebnisse der Studie wurden in der Dezember-Ausgabe der Zeitschrift veröffentlicht Acta Materialia.

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Stähle bestehen aus Eisen und einer kleinen Menge anderer Elemente, einschließlich Kohlenstoff. Martensitstähle entstehen, wenn Stähle auf extrem hohe Temperaturen erhitzt und dann schnell abgekühlt werden. Durch das plötzliche Abkühlen werden Kohlenstoffatome auf unnatürliche Weise in Eisenkristallen eingeschlossen, wodurch martensitischer Stahl seine charakteristische Festigkeit erhält.

Um vielfältige Anwendungen zu haben, müssen martensitische Stähle, insbesondere ein Typ, der als niedriglegierte martensitische Stähle bezeichnet wird, je nach Anwendung zu Objekten unterschiedlicher Form und Größe zusammengesetzt werden. Dann bietet die additive Fertigung, besser bekannt als 3D-Druck, eine praktische Lösung. Mit dieser Technologie können komplexe Elemente Schicht für Schicht aufgebaut werden, indem eine einzelne Schicht Metallpulver entlang eines Musters mit einem scharfen Laserstrahl erhitzt und geschmolzen wird. Jede dieser verbundenen und gestapelten Ebenen erstellt das endgültige 3D-gedruckte Objekt.

Beim martensitischen 3D-Druck unter Verwendung von Lasern können jedoch unbeabsichtigte Defekte in Form von Poren in das Material eingebracht werden.

„Porositäten sind winzige Löcher, die die Festigkeit des endgültigen 3D-Druckobjekts stark verringern können, selbst wenn das für den 3D-Druck verwendete Rohmaterial sehr stark ist“, sagte Karaman. „Um praktische Anwendungen für den neuen martensitischen Stahl zu finden, mussten wir zum Zeichenbrett zurückkehren und untersuchen, welche Lasereinstellungen diese Defekte verhindern könnten.“

Für ihre Experimente wählten Karaman und das Texas A & M-Team zunächst ein vorhandenes mathematisches Modell, das vom Schweißen inspiriert war, um vorherzusagen, wie eine einzelne Schicht martensitischen Stahlpulvers für unterschiedliche Einstellungen für Lasergeschwindigkeit und -leistung schmelzen würde. Durch den Vergleich der Art und Anzahl der in einer einzelnen Spur geschmolzenen Pulvers beobachteten Defekte mit den Vorhersagen des Modells konnten sie ihr vorhandenes Gerüst geringfügig ändern, so dass sich die nachfolgenden Vorhersagen verbesserten.

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Nach einigen solchen Iterationen konnte ihr Gerüst ohne zusätzliche Experimente korrekt vorhersagen, ob ein neuer, nicht getesteter Satz von Lasereinstellungen zu Defekten im martensitischen Stahl führen würde. Die Forscher sagten, dieses Verfahren sei zeiteffizienter.

„Das Testen der gesamten Palette von Lasereinstellmöglichkeiten, um zu bewerten, welche zu Defekten führen können, ist äußerst zeitaufwändig und manchmal sogar unpraktisch“, sagte Raiyan Seede, ein Doktorand am College of Engineering und Hauptautor der Studie . „Durch die Kombination von Experimenten und Modellierung konnten wir ein einfaches, schnelles und schrittweises Verfahren entwickeln, mit dem ermittelt werden kann, welche Einstellung für den 3D-Druck von martensitischen Stählen am besten geeignet ist.“

Seede bemerkte auch, dass, obwohl ihre Richtlinien entwickelt wurden, um sicherzustellen, dass martensitische Stähle ohne Verformungen gedruckt werden können, ihr Gerüst zum Bedrucken mit jedem anderen Metall verwendet werden kann. Er sagte, diese erweiterte Anwendung sei darauf zurückzuführen, dass ihr Gerüst an die Beobachtungen aus einspurigen Experimenten für ein bestimmtes Metall angepasst werden könne.

„Obwohl wir uns zunächst auf den 3D-Druck von martensitischen Stählen konzentriert haben, haben wir seitdem eine universellere Druckpipeline geschaffen“, sagte Karaman. „Unsere Richtlinien vereinfachen auch die Kunst des 3D-Druckens von Metallen, sodass das Endprodukt keine Porositäten aufweist. Dies ist eine wichtige Entwicklung für alle Arten der Metalladditiv-Fertigungsindustrie, die Teile so einfach wie Schrauben zu komplexeren wie Fahrwerken machen , Getriebe oder Turbinen. „