Drei bahnbrechende Fortschritte im Bereich der Metall-AM aus der Welt der Forschung

Um einschätzen zu können, wohin sich die Technologie und die Branche entwickeln und welche großen Innovationen als Nächstes zu erwarten sind, ist es wichtig, Forschungsinitiativen und -projekte im Bereich der additiven Fertigung genau im Auge zu behalten. Vor diesem Hintergrund möchten wir drei Projekte aus dem Forschungsbereich vorstellen, die sich mit AM-Prozessen und -Materialien für Metalle befassen. Lassen Sie uns gleich einsteigen:

ORNL-Team entwickelt DuAlumin-3D-Legierung für LPBF weiter

Kürzlich hat ein Team von Wissenschaftlern des Oak Ridge National Laboratory (ORNL) einen Durchbruch bei der Verwendung von DuAlumin-3D für Automobilkomponenten bekannt gegeben. Das speziell für den 3D-Druck entwickelte Material ist eine doppelt verstärkte Aluminiumlegierung, die sich durch extreme Kriech- und Ermüdungsbeständigkeit auszeichnet, selbst bei extrem hohen Temperaturen im Bereich von 300 °C bis 400 °C.

In der jüngsten Veröffentlichung über die innovative Legierung berichtete das ORNL-Team von einer überlegenen Leistung im Vergleich zu herkömmlichen Legierungen. Insbesondere dort, wo Standard-Aluminiumlegierungen mit ähnlichen Wärmeeigenschaften im LPBF-Verfahren häufig Risse aufweisen, ist dies bei DuAlumin-3D-Teilen nicht der Fall, was zum Teil auf einen kurzen Wärmebehandlungszyklus zurückzuführen ist. Dadurch könnte sich das Metall-AM-Verbrauchsmaterial hervorragend für Hochtemperaturanwendungen im Automobilbereich, wie z. B. hocheffiziente Motoren, sowie für Luft- und Raumfahrtteile, wie z. B. optimierte Wärmetauscherkomponenten, eignen.

DuAlumin-3D wurde im Rahmen des VTO Powertrain Materials Core Program in Zusammenarbeit mit dem DOE Advanced Materials and Manufacturing Office entwickelt. Das übergeordnete Ziel der Entwicklung dieses neuen Materials ist es, eine Aluminiumlegierung auf den Markt zu bringen, die sowohl widerstandsfähig als auch leicht und – was entscheidend ist – für den LPBF-Prozess geeignet ist.

„Aluminiumlegierungen waren für uns ein wirklich interessantes Problemfeld“, sagte Plotkowski, leitender Mitarbeiter in der Forschung und Entwicklung und Hauptverantwortlicher des Projekts. „Die größte Herausforderung besteht darin, dass herkömmliche Aluminium-Knetlegierungen, die weltweit am häufigsten verwendet werden und die attraktivsten Eigenschaften aufweisen, mit additiver Fertigung nur schwer zu verarbeiten sind.“ Mit der besten Kriechfestigkeit aller Aluminiumlegierungen bei 300 °C löst DuAlumin-3D diese Herausforderung.

SCUT-Forscher schlagen maschinelles Lernen zur Vorhersage der Leistung von Ti6Al4V vor

In diesem Sommer veröffentlichten Forscher der South China University of Technology ihre Arbeit, in der sie einen datengesteuerten Ansatz zur Vorhersage der Eigenschaften von 3D-gedruckten Teilen aus der Titanlegierung Ti6Al4V vorschlagen. Die Arbeit basiert auf groß angelegten LPBF-Verfahren und nutzt Stacking Ensemble Learning, um Ergebnisse auf der Grundlage verschiedener Drucker- und Materialparameter vorherzusagen.

Beim LPBF-Verfahren kann es aufgrund der Vielzahl von Einstellungen und Parametern schwierig sein, die optimale Kombination zu finden. Zwar können Ansätze des maschinellen Lernens mit einem einzigen Modell angewendet werden, diese sind jedoch durch die Komplexität der interagierenden Prozesseinstellungen begrenzt. Stacking-Lernmodelle hingegen können diese Komplexität besser bewältigen.

Das SCUT-Team demonstrierte dies, indem es Parameterbereiche für einen Titan-Testdruck auf einem großformatigen LPBF-System festlegte und dann eine Reihe von Algorithmen (einschließlich ANN, ENet, KRR, GBR und Lasso) verwendete, um ein Stapelmodell zur Vorhersage der Zugfestigkeit des Teils zu erstellen. Zur Optimierung des Modells wurden Bayes’sche Optimierung und Kreuzvalidierung verwendet, und zur Bewertung seiner Leistung wurden mehrere Metriken angewendet.

Eine Analyse zeigte, welche Parameter den größten Einfluss auf die Zugfestigkeit hatten. Dies waren die Scangeschwindigkeit, gefolgt von der Laserleistung. Nach der Optimierung wurde die optimale Kombination von Basismodellen für das Stapelmodell ermittelt. Die Trainings- und Testergebnisse zeigen, dass das Stapelmodell eine höhere Vorhersagegenauigkeit und stärkere Stabilität als das ANN-Modell aufweist und die komplexen Beziehungen zwischen Prozessparametern und Zugfestigkeit besser erfasst.

Letztendlich zeigt diese Arbeit, wie ein Stacking-Ensemble-Lernmodell dazu beitragen kann, die Zugfestigkeit der Titanlegierung beim Drucken besser vorherzusagen.

RMIT-Team entwickelt 29 % günstigeres Titan

RMIT-Team entwickelt 29 % cheWährend wir gerade beim Thema Titan sind: Ein Team von Ingenieuren des Royal Melbourne Institute of Technology (RMIT) hat kürzlich ein neues 3D-gedrucktes Titan entwickelt, das Berichten zufolge ein Drittel günstiger ist als die üblicherweise in der Metall-AM verwendeten Legierungen. Das Material zeigte im Vergleich zu standardmäßigen 3D-gedruckten Titanlegierungen (Ti-6Al-4V) auch Verbesserungen in Bezug auf Festigkeit und Leistung.

Das RMIT-Team, das im Center for Additive Manufacturing der Universität arbeitet, hat ein vorläufiges Patent für den Materialansatz angemeldet und untersucht derzeit die nächsten Schritte zur Kommerzialisierung seiner Technologie, darunter die Suche nach Partnern, „die bei den nächsten Entwicklungsstufen beratend zur Seite stehen“.

„Der 3D-Druck ermöglicht eine schnellere, weniger verschwenderische und besser anpassbare Produktion, doch wir sind immer noch auf herkömmliche Legierungen wie Ti-6Al-4V angewiesen, die dieses Potenzial nicht voll ausschöpfen“, sagte der Doktorand und Hauptautor der Studie, Ryan Brooke. „Es ist, als hätten wir ein Flugzeug gebaut und würden damit immer noch nur auf der Straße herumfahren. Neue Arten von Titan und anderen Legierungen werden es uns ermöglichen, die Grenzen des Möglichen mit dem 3D-Druck wirklich zu erweitern, und der in unserer Studie skizzierte Rahmen für die Entwicklung neuer Legierungen ist ein wichtiger Schritt in diese Richtung.“

In der Studie war die Herstellung der speziellen Titanlegierung um 29 % kostengünstiger als die von Standardtitan, während sie sich zudem gleichmäßiger drucken ließ (d. h. ohne die säulenförmigen Mikrostrukturen, die bei bestimmten Legierungen zu ungleichmäßigen mechanischen Eigenschaften führen können). „Durch die Entwicklung einer kostengünstigeren Formel, die diese säulenförmige Mikrostruktur vermeidet, haben wir zwei zentrale Herausforderungen gelöst, die einer breiten Einführung des 3D-Drucks im Wege standen“, fügte Brooke hinzu.