Ein Team der DUT entwickelt ein Hybridverfahren aus Mikrowellen und Laser für 3D-gedruckte Keramik
Die Kombination zweier Energiefelder verringert die Porosität um 85,5 % und erhöht die Biegefestigkeit in eutektischen Hochtemperaturwerkstoffen
Forscher der Technischen Universität Dalian haben ein hybrides additives Fertigungsverfahren entwickelt, das ein Mikrowellenfeld mit laserbasiertem 3D-Druck kombiniert, um ein seit langem bestehendes Problem mit Defekten in Keramikkomponenten zu lösen, die in extremen industriellen Umgebungen eingesetzt werden.
Beim herkömmlichen Laser-3D-Druck von Keramik entsteht ein flaches Schmelzbad, das fast augenblicklich erstarrt und dabei mikroskopisch kleine Gasblasen in der Materialmatrix einschließt.
Diese Blasen bilden dann Poren, die als Ausgangspunkt für Rissbildungen dienen. Kristallstrukturen, die unter reinen Laserbedingungen entstehen, neigen zudem dazu, sich in gleichmäßigen, ebenen Bändern auszurichten – ein Muster, das die Sprödigkeit unter mechanischer Belastung noch verstärkt.
Professor Fangyong Niu leitete das Team, das den gesamten Druckbereich gleichzeitig mit der Laserbestrahlung einem 2,45-GHz-Mikrowellenfeld aussetzte.
Da Mikrowellen das Material volumetrisch durchdringen, anstatt nur die Oberfläche zu erwärmen, verlängerte sich die flüssige Phase des Schmelzbads von durchschnittlich 0,85 Sekunden beim herkömmlichen Laserdruck auf 1,86 Sekunden im Hybridsystem.
Durch das längere Fließfenster konnten eingeschlossene Gasblasen vor der Erstarrung entweichen, wodurch der gesamte Hohlraum um 85,5 % reduziert und die Porosität auf 0,11 % gesenkt wurde. Auch der durchschnittliche Durchmesser der verbleibenden Poren verringerte sich auf etwa 38 Mikrometer.
Das Mikrowellenfeld führte zudem zu weiteren strukturellen Veränderungen auf mikroskopischer Ebene.
In den verbleibenden Poren eingeschlossene Gase wurden angeregt, als freie Elektronen durch das Mikrowellenfeld beschleunigt wurden, wodurch durch Lawinenionisation internes Plasma entstand, das weitere Gasblasen beseitigte.
Der Anteil an yttriumstabilisiertem Zirkonoxid (ZrO₂) in der Keramik wirkte als lokaler Mikrowellenabsorber und erzeugte Hotspot-Bereiche, die das Kristallwachstum in zufälligen statt linearen Ausrichtungen anregten. Diese zufällige Mikrostruktur unterbrach die Rissausbreitungswege und verbesserte die strukturelle Homogenität.
Die Kombination aus verringerter Porosität und neu ausgerichtetem Kristallwachstum erhöhte die Biegefestigkeit um 22,2 %, wobei das Material vor dem Versagen eine maximale Tragfähigkeit von 373,8 Megapascal erreichte.
Die Forscher identifizierten Komponenten für Strahltriebwerke, Brennkammerauskleidungen und Kraftwerksturbinen als Zielanwendungen. Die aktuelle Demonstration beschränkte sich auf kleine Teststäbe, die unter Laborbedingungen hergestellt wurden. Das Team merkte an, dass eine Skalierung der Technik eine gleichmäßige Anwendung des Mikrowellenfeldes über größere Volumina sowie eine Echtzeit-Synchronisation der beiden Energiequellen erfordern werde.
Die von Professor Niu geleitete Arbeit wurde im International Journal of Extreme Manufacturing veröffentlicht.
