Forscher beobachten Verformungen beim 3D-Metalldruck in Echtzeit
Verfolgung des Druckprozesses mittels Röntgenbeugung und direkte Messung, wie und wann Versetzungen entstehen und sich ausbreiten
In einem bedeutenden wissenschaftlichen Durchbruch haben Forscher des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE), des Oak Ridge National Laboratory und anderer Universitäten beobachtet, wie sich die Mikrostruktur von Metallen während des 3D-Drucks in Echtzeit verändert. Möglich wurde dieser Durchbruch durch die Advanced Photon Source (APS) von Argonne, eine Einrichtung des DOE Office of Science. Die Ergebnisse wurden in Nature Communications veröffentlicht.
Bisher konnten Wissenschaftler die Mikrostrukturen von 3D-gedruckten Bauteilen erst nach Abschluss des Druckvorgangs analysieren.
„Metalle bestehen aus Atomen, die in geordneten Kristallstrukturen angeordnet sind“, sagte Tao Sun, der leitende Forscher des Projekts und Professor an der Northwestern University, der auch eine gemeinsame Stelle am Argonne innehat. „Bei schneller Erwärmung und Abkühlung geraten jedoch einige Atome aus ihrer Ausrichtung. Diese Defekte – sogenannte Versetzungen – können das Endprodukt stärken oder schwächen.“
Unter Verwendung der Beamline 1-ID-E am APS führte das Team einen 3D-Druck von 316L-Edelstahl durch, einer häufig verwendeten Strukturlegierung. Sie verfolgten den Druckprozess mit Echtzeit-Röntgenbeugung und maßen direkt, wie und wann sich Versetzungen bilden und ausbreiten.
„Unsere Analyse zeigt, wie leistungsfähig die APS für die Untersuchung von Defekten ist, die bisher nur durch nachträgliche Analysen sichtbar wurden“, sagte Andrew Chuang, Physiker bei der APS. „Dies ist das erste Mal, dass diese Echtzeit-Technik auf dieses laserbasierte Verfahren angewendet wurde, um die Versetzungsentwicklung in einem Metalldraht zu untersuchen.“
Die Daten zeigten, dass sich Versetzungen früh bilden, sobald das Metall vom flüssigen in den festen Zustand übergeht. Bisher ging man davon aus, dass sie sich später bilden, wenn sich während des Abkühlens und Erstarren Spannungen aufbauen. Ein entscheidender Faktor war eine spezifische Reaktion, bei der sich aus der Flüssigkeit gleichzeitig zwei feste Phasen bilden, wodurch eine hohe Dichte an Versetzungen entsteht.
Dieses tiefere Verständnis könnte Ingenieuren dabei helfen, die Festigkeit und Zuverlässigkeit von 3D-gedruckten Teilen zu verbessern. Durch die Anpassung der Druckvariablen könnten Entwickler die Bildung von Versetzungen auf mikroskopischer Ebene präzise steuern. Auf diese Weise könnten sie die vorteilhaften Eigenschaften der Versetzungen voll ausnutzen und gleichzeitig die nachteiligen minimieren.
Die gewonnenen Erkenntnisse könnten auch die Entwicklung neuer Legierungen vorantreiben. Die Anpassung der chemischen Zusammensetzung von rostfreien Stählen – beispielsweise durch Veränderung des Verhältnisses von Chrom oder Nickel oder durch Zugabe von Elementen wie Aluminium – kann Einfluss darauf haben, wie sich Versetzungen bilden und wie sich die Belastung verteilt.
„Mit dieser Art des 3D-Drucks könnten maßgeschneiderte Metallteile hergestellt werden, die zuverlässig und besonders stabil sind und auch extremen Bedingungen standhalten“, so Lin Gao, Postdoktorand in der Abteilung für Nuklearwissenschaft und -technik bei Argonne. „Dies könnte der Schlüssel zur Herstellung fortschrittlicher Metallkomponenten für Kernreaktoren der nächsten Generation sein, die derzeit bei Argonne und anderen Labors entwickelt werden.“
