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Tragen Sie zum Ausbau der additiven Fertigung in der Luft- und Raumfahrt und anderen Branchen bei, die auf starke Metallteile angewiesen sind

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Tao Tao, außerordentlicher Professor für Materialwissenschaften und -technik an der University of Virginia, machte zwei Entdeckungen, die die additive Fertigung in der Luft- und Raumfahrt und anderen Industrien, die auf starke Metallteile angewiesen sind, erweitern könnten.

Laut einem Bericht der Manufacturing Technology Association hat die additive Fertigung im Laufe der Jahre zur Flugzeugproduktion beigetragen. Die additive Fertigung führt jedoch auch zu Fehlern in der Mikrostruktur des fertigen Teils, was ihre Rolle auf die Herstellung von Rohren, Innenkomponenten und anderen unkritischen Teilen beschränkt. Die additive Fertigung von sicherheitsregulierten Teilen wird der Luftfahrtindustrie helfen, ihren Wunsch nach einem effektiven und stabilen Lieferkettenmanagement sowie nach Treibstoffeinsparungen und Emissionsreduzierungen bei Leichtflugzeugen zu verwirklichen.

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Das Team und die Mitarbeiter von Sun haben herausgefunden, warum bei der additiven Fertigung von Teilen aus hochfesten, leichten Titanlegierungen, die in Luft- und Raumfahrtanwendungen weit verbreitet sind, Strukturfehler auftreten. Sie liefern Prozesszeichnungen, Blaupausen für die Maschinen zur Herstellung von Teilen und helfen Herstellern, Fehler in einer gängigen additiven Fertigungstechnik namens Laser Powder Bed Fusion zu vermeiden.

Der Artikel des Teams „Die kritische Instabilität der Spitze eines sich bewegenden kleinen Lochs erzeugt Poren beim Laserschmelzen“ wurde in der „Science“-Ausgabe vom 27. November veröffentlicht. Zhao Cang war Postdoktorand in der Sun-Forschungsgruppe am Argonne National Laboratory und ist jetzt Fakultätsmitglied der Fakultät für Maschinenbau der Tsinghua-Universität in Peking. Er ist Co-Autor einer Dissertation mit Kollegen der Carnegie Mellon University, der Argonne University, Utah, und der UVA. Der zweite Autor, Niranjan D. Parab, ist auch einer der Postdoktoranden am Argonne National Laboratory von Sun und arbeitet seitdem bei Intel.

Das Forschungsteam konzentrierte sich auf die beiden wichtigsten Bedingungen des additiven Fertigungsprozesses, nämlich Laserleistung und Scangeschwindigkeit. Die Einstellung und das Zusammenwirken dieser beiden Bedingungen werden im Leistungs-Drehzahl-Prozessdiagramm erfasst. Ähnlich wie bei der herkömmlichen Karte legt die Leistungs-Geschwindigkeits-Karte eine Grenzlinie zwischen dem zu bearbeitenden Bereich und dem zu vermeidenden Bereich fest.

Das Leistungs-Geschwindigkeits-Diagramm kann in einen guten Bereich und drei schlechte Bereiche unterteilt werden. Bleibt der Hersteller in einem guten Bereich, wird das Teil wahrscheinlich durchweg qualitativ hochwertige Teile produzieren. Die beiden schlechten Bereiche sind leicht zu identifizieren. Eines ist das Phänomen der fehlenden Fusion, das sich durch das ungeschmolzene Pulver zeigt, das durch eine unzureichende Laserleistungsdichte verursacht wird. Wenn eine einzelne Drucklinie auf sich selbst rollt, wird der zweite fehlerhafte Bereich durch eine Kugel dargestellt, was darauf hinweist, dass sich der Laser zu schnell bewegt.

Sun und das Team konzentrierten sich auf die vierte Zone. In diesem Bereich weist das Teil nach dem Herstellungsprozess winzige Löcher auf. Dieser strukturelle Defekt wird als Pore bezeichnet. Diese winzigen Löcher erscheinen im Inneren des Materials und machen es schwer zu sehen und zu kontrollieren. Sun sagte: „Sie können mehrere Testlinien drucken und wissen immer noch nicht, ob die Oberfläche des Teils noch Poren aufweist.“

Porendefekte bleiben eine Herausforderung für ermüdungsempfindliche Anwendungen wie Flugzeugflügel. Unter Laserschmelzbedingungen mit hoher Leistung und niedriger Abtastgeschwindigkeit sind einige Poren mit tiefen und engen Dampfvertiefungen verbunden, die als Schlüssellöcher bezeichnet werden.

Sun und sein Team haben herausgefunden, wie die Poren entstehen und können die Umwandlung von Materialien mit hoher räumlich-zeitlicher Auflösung während des 3D-Druckprozesses charakterisieren. Sie verwendeten eine Bildgebungstechnik namens Hochgeschwindigkeits-Synchrotron-Röntgenbildgebung, die die Bildung von Löchern Rahmen für Rahmen während des gesamten Laserdruckprozesses überwacht. Die Aufnahme von Bildern in Mikrosekunden-Intervallen geht weit über das hinaus, was das menschliche Auge erfassen oder das menschliche Gehirn verarbeiten kann.

Hochgeschwindigkeits-Synchrotron-Röntgenbildgebung ist die einzige verfügbare Methode, um qualitativ zu messen und zu beschreiben, was passiert, wenn ein Laserstrahl einem Metallpulverbett ausgesetzt wird. Neben dem Schmelzen von Pulver verdampft der Laser auch etwas Metall. Der Hochgeschwindigkeitsdampf entweicht aus der Oberfläche des Schmelzbades und bildet einen kleinen Hohlraum, der als Schlüsselloch bezeichnet wird.

Die Ausbildung und Größe des Schlüssellochs hängt von der Laserleistung und der Fähigkeit des Materials ab, Laserenergie zu absorbieren. Wenn die Schlüssellochwand stabil ist, verbessert sie die Laserabsorption der umgebenden Materialien und verbessert die Effizienz der Laserherstellung. Wenn die Wand jedoch wackelt oder zusammenbricht, verfestigt sich das Material um das Schlüsselloch herum und fängt die Lufttasche in der neu gebildeten Materialschicht ein. Dadurch wird das Material spröder und unter Umgebungsdruck leichter zu knacken.

Sonne beschreibt die Grenze zwischen dem guten Bereich und dem schlechten Porenbereich als glatt und klar. „Unter sehr engen Laserbedingungen trennt eine bestimmte Kombination aus Leistung und Geschwindigkeit ein gutes Teil von einem Teil mit Poren. Überqueren Sie einfach die Grenze zwischen der guten Zone und der schlechten Zone, um festzustellen, ob Ihr Teil mit diesem strukturellen Fehler versehen ist“, sagte Sun . Basierend auf den physikalischen Prinzipien einer so glatten und scharfen Grenze wusste Sun, dass ein Teilprozess funktionierte.

Schließlich entdeckte das Team, dass die Wechselwirkung von Lasern und Metallen Schallwellen erzeugt.

Sun erklärte, dass Schallwellen auf unterschiedliche Weise mit Blasen in Flüssigkeiten interagieren können. Unter Einwirkung von Schallkraft können sich Blasen bewegen, verformen, spalten oder sogar kollabieren. In dieser Studie stellte das Forschungsteam fest, dass unter Laserbedingungen nahe der Grenze des Blendenbereichs die Schallkraft eine entscheidende Rolle dabei spielt, die Blende von der Spitze des Schlüssellochs wegzudrücken. In Abwesenheit von Schallwellen im Schmelzbad wird die Öffnung in das Schlüsselloch zurückgezogen.

„Das ist wirklich überraschend“, sagte Sun. „Kurzpulslaser gelten als Quelle von Schallwellen in Flüssigkeiten, aber wir haben akustische Effekte bei der Verwendung von Dauerstrichlasern beobachtet. Offensichtlich gibt es noch viele interessante Fragen, die weiter untersucht werden müssen.“

Die beiden im Magazin „Science“ beschriebenen Entdeckungen haben direkte Auswirkungen auf die additive Fertigung mit Metalllasern in der Grundlagen- und angewandten Forschung. Die klar definierte Grenze des Porenbereichs im Leistungs-Geschwindigkeits-Diagramm gibt Laser-Pulverbett-Fusionstechnikern mehr Sicherheit bei der Bestimmung guter Druckbedingungen. Gleichzeitig haben die neuen Beobachtungen der Synchrotron-Röntgenbildgebung spannende multidisziplinäre Forschungsfelder eröffnet, die mehr Wissenschaftler anziehen werden, um Grundlagenforschung zur additiven Laserfertigung zu betreiben.

Das Forschungsteam von Sun bei UVA wird weiterhin die fortschrittlichsten Charakterisierungstechniken anwenden, um eingehende Forschungen zu additiven Fertigungsverfahren und Materialien durchzuführen. Es wird erwartet, dass die additive Fertigungstechnologie die Art und Weise, wie wir produzieren, revolutionieren wird.

„Die additive Fertigung kann ihr volles Potenzial erst entfalten, wenn die Forschungsgemeinschaft all die schönen physikalischen Prinzipien zusammengetragen hat, die die komplexen Wechselwirkungen zwischen Energie und Material beim Druckprozess steuern.“

Die Co-Autoren des Forschungsteams sind Anthony Rollett, Professor für Materialwissenschaften und -technik an der Carnegie Mellon University; Kamel Fezzaa, Physiker am Arkham National Laboratory; und University of Judah Wenda Tan, Assistenzprofessorin für Maschinenbau; Dr. Li und Ph.D. Student der Fakultät für Maschinenbau der University of Utah.

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