Ein Forscherteam des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), des Ames National Laboratory, der Georgia Tech University und der Oregon State University hat ein Durchbruchmethode zu 3D drucken starken und duktilen Edelstahl.

Die Forscher produzierten effektiv einen der am häufigsten verwendeten rostfreien Edelstahlsorten, einen kohlenstoffarmen Typ namens 316L.

Die Forschung ist veröffentlicht in der Zeitschrift Nature Materials.

Frühere Untersuchungen zeigten, dass Materialien, die durch 3D-Druck erstellt wurden, oft eine schlechte mechanische Leistung aufwiesen, verglichen mit Materialien, die durch andere Herstellungsverfahren hergestellt wurden, sagte LLNL-Materialwissenschaftler und Hauptautor. Morris Wang.

Dies ist "auf intrinsische Poren und Defekte zurückzuführen, die während der additiven Herstellungsprozesse eingeschlossen wurden", sagte Wang.

Das Team wollte sicherstellen, dass die Leistung von 3D-bedruckten Materialien mindestens der Leistung von Materialien entspricht, die mit anderen Herstellungsmethoden hergestellt wurden, so Wang.

In dieser Studie konnten die Forscher dieses Ziel erreichen.  

"Unsere Untersuchungen zeigen, dass wir sowohl feste als auch duktile rostfreie Stähle drucken können, deren Leistung tatsächlich besser ist als das gleiche Material, das mit anderen Herstellungsmethoden hergestellt wurde", sagte Wang.

Diese Forschung könnte zum weit verbreiteten 3D-Druck von Edelstahlkomponenten in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und der Öl- und Gasindustrie führen, wo starke und zähe Materialien benötigt werden, um extreme Kräfte in rauen Umgebungen zu tolerieren, sagte Wang in einer Stellungnahme.

Um sicherzustellen, dass 3D-bedruckter 316L-Edelstahl die in traditionell hergestellten 316L getesteten Leistungsmethoden erfüllen oder übertreffen würde, musste das Team die Porosität begrenzen, die während der Verschmelzung von Metallpulvern verursacht wird.

Das Team begrenzte die Zerbrechlichkeit und optimierte die Dichte des mit 3D bedruckten Edelstahls durch Experimente und Computermodelle sowie durch Änderung der Mikrostruktur des Materials.

"Diese Mikrostruktur, die wir entwickelt haben, überwindet die traditionelle Grenze zwischen Festigkeit und Duktilität", sagte Wang in einer Erklärung.

„Bei Stahl möchte man ihn fester machen, verliert aber im Wesentlichen an Duktilität. Sie können nicht beide haben. Mit dem 3D-Druck können wir diese Grenze jedoch über den derzeitigen Kompromiss hinaus verschieben. “

Das Team druckte dünne Platten aus Edelstahl 316L mit zwei verschiedenen Laserpulverbett-Fusionsmaschinen. Diese Technik schuf zellenartige Strukturen, mit denen sich mechanische Eigenschaften verändern und verbessern ließen, hieß es in einer Stellungnahme.

„Wenn man 316L additiv herstellt, entsteht eine interessante Kornstruktur, ähnlich einem Buntglasfenster“, so der LLNL-Wissenschaftler Alex Hamza sagte in einer Erklärung.

„Die Körner sind nicht sehr klein, aber die Zellstrukturen und andere Defekte in den Körnern, die beim Schweißen häufig auftreten, scheinen die Eigenschaften zu steuern. Das war die Entdeckung. “

Der gleiche Ansatz für den 3D-Druck könnte die Entwicklung weiterer technischer Materialien wie Titanlegierungen oder Magnesiumlegierungen beeinträchtigen, sagte Wang.

Der LLNL-Postdoc-Forscher Thomas Voisin, ein Hauptverfasser des Artikels, glaubt, dass diese Forschung ein neues Verständnis über Struktur-Eigenschafts-Beziehungen in 3D-gedruckten Materialien liefern könnte.

"Die Deformation von Metallen wird hauptsächlich dadurch gesteuert, wie sich nanoskalige Defekte in der Mikrostruktur bewegen und interagieren", sagte Voisin in einer Erklärung.

„Interessanterweise haben wir festgestellt, dass diese zelluläre Struktur wie ein Filter wirkt und ermöglicht, dass sich einige Defekte frei bewegen und somit die erforderliche Duktilität bereitstellen, während andere blockiert werden, um die Festigkeit bereitzustellen. Wenn wir diese Mechanismen beobachten und ihre Komplexität verstehen, können wir uns neue Möglichkeiten überlegen, um die mechanischen Eigenschaften dieser 3D-Druckmaterialien zu steuern. “

Traditionell hat der 3D-Druck bei Metallen in Legierungen keine effiziente Leistung erbracht. "Tatsächlich können derzeit möglicherweise mehr als 90-Prozent der verwendeten Legierungen nicht mit 3D gedruckt werden", sagte Wang.

Das Endziel des Teams besteht darin, „zu demonstrieren, dass mit 3D bedruckte Metallkomponenten eine wesentlich bessere Leistung aufweisen als die derzeit bereits verwendeten Komponenten“, sagte Wang.

"Dies wird die additive Fertigung auf ein neues Niveau heben."

Während dieser mehrjährigen Forschung trug das Ames Lab durch die Durchführung von Röntgenbeugung zum besseren Verständnis der Materialleistung bei. Die Forscher von Georgia Tech konstruierten Modellierungen, um zu bestimmen, wie 316L eine hohe Festigkeit und Duktilität haben könnte, und Oregon State Forscher führten Analysen zur Zusammensetzung und Charakterisierung durch.