Elementum 3D bringt Aluminium 6061 und 2024 mithilfe reaktiver In-situ-Keramik in L-PBF ein

Elementum 3D erweitert LPBF auf ältere hochfeste Aluminiumlegierungen, indem es während des Druckvorgangs keramische Verstärkungen synthetisiert. Das reaktive additive Fertigungsverfahren (RAM) des Unternehmens mischt wärmeerzeugende Materialien in das Ausgangsmaterial ein, sodass direkt an der Stelle, an der der Laser arbeitet, winzige Keramikpartikel entstehen. Diese Partikel wirken als starke Keimbildner, verlagern die Erstarrung von säulenförmigen zu feinen, gleichachsigen Körnern und reduzieren das Heißreißen, das typischerweise Legierungen wie 2024 und 6061 in Schmelzprozessen beeinträchtigt.

Das Unternehmen beschreibt einen Energiebilanzansatz zur Dimensionierung dieser Reaktionen unter Verwendung tabellarischer Wärmekapazitäten, Bildungswärmen und latenten Wärmen aus NIST- und JANNAF-Datensätzen. Durch Anpassung der Reaktionswärme und der Matrixmenge zielt RAM darauf ab, die Menge an Laserenergie zu reduzieren, die zur Herstellung von Keramikmaterialien aus Vorläufern benötigt wird, die bei niedrigeren Temperaturen schmelzen. Das Unternehmen behauptet, dass das Ergebnis Metallmatrix-Verbundwerkstoffe mit nahezu perfekter Dichte und gleichmäßig geformten Mikrostrukturen sind, die bei fusionsbasierten Verfahren selten sind.

EOS M290 auf Eis

Elementum 3D hat mit einem EOS M290-System Aluminiumversionen 2024 und 6061 mit 2 Vol.-% Keramik hergestellt und gibt an, dass diese gut gedruckt werden können und wie normales Aluminium auf Wärmebehandlung reagieren. In Tests mit 10 Volumenprozent Keramik zeigten die 2024-Proben eine hohe Festigkeit und Haltbarkeit, und ihre Bruchstellen wiesen keine Risse auf, wie sie bei Nicht-RAM-Konstruktionen beobachtet wurden. Die Mikrostruktur weist zwei verschiedene Größen von Keramikpartikeln auf, etwa 200–800 Nanometer und 5–20 Mikrometer, die im gesamten Material gemischt sind, was die beobachteten konsistenten mechanischen Eigenschaften erklärt.

Als weiterer Vorteil wird die Produktivität der Abscheidung genannt. Auf derselben EOS-Plattform übertrafen drei RAM-Materialien Berichten zufolge die Abscheidungsrate von AlSi10Mg, wobei A6061-RAM2 den Durchsatz mehr als verdoppelte. Es wurden weder spezifische Angaben zur Schichtrate oder volumetrischen Bau-Rate noch Parametersätze gemacht, aber das Unternehmen gibt an, dass die erhöhte Abscheidung zu niedrigeren Teilekosten führte.

Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt

Anwendungsbeispiele weisen auf eine kurzfristige Verwendung in der Luft- und Raumfahrt hin. Mit Genehmigung von Ball Aerospace stellt das Unternehmen einen eloxierten A6061-RAM2-Gitter-Spiegelrohling und eine chromatbeschichtete Raumfahrzeughalterung vor. Ein Kolbenkopf auf 2024-Basis und eine Statorleitschaufel auf 6061-Basis veranschaulichen die Kombination aus dünnwandigen Merkmalen, internen Kühlkanälen und einer höheren Verschleiß- und Ermüdungsfestigkeit bei höheren Temperaturen, die mit den keramikverstärkten Matrizen verbunden ist.

Einige wichtige technische Details müssen noch dokumentiert werden. Die Materialbeschreibung erwähnt gängige Verarbeitungsmethoden für Knetlegierungen, liefert jedoch keine vollständigen Informationen zu Wärmebehandlungsplänen, Festigkeitsmessungen, Ermüdungsdaten oder Wärmeleitfähigkeit. Durch die Erstellung von Parameterfenstern, Porositätsstatistiken und quantifizierten Abscheidungsraten würde weiter verdeutlicht, wo RAM-modifiziertes 2024 und 6061 herkömmliches AlSi10Mg oder Schmiedematerial in der Produktion ersetzen können und wie sich das Verhältnis zwischen Festigkeit und Duktilität mit steigendem Keramikanteil entwickelt.