Neue 3D-Druckmethode für metallische Glaslegierungen öffnet Tür für effizientere Elektromotoren

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Forscher an der North Carolina State University haben entwickelte eine Methode große Mengen metallischer Glaslegierungen mit der 3D-Technologie zu drucken. Diese neue Technik könnte dazu beitragen, effizientere Elektromotoren, Materialien mit höherer Festigkeit, leichtere Strukturen, verschleißfestere Materialien und mehr zu konstruieren.

Das vollständige Papier ist in der Zeitschrift veröffentlicht Angewandte Materialien heute.

Metallisches Glas, auch bekannt als amorphes Metall, weist bei den meisten Metallen keine kristalline Struktur auf. Daher erfordert seine Erzeugung ein schnelles Abkühlen, damit sich keine kristalline Struktur bildet. Aufgrund dieser Einschränkungen konnten Forscher bisher nur wenige Millimeter dicke Metallgläser gießen.

Obwohl die Idee des 3D-Druckens von metallischem Glas bereits seit mehr als einem Jahrzehnt besteht, ist diese neue Studie der einzige Beweis, dass dies möglich ist.

Diese neue Technik ermöglichte es den Forschern, metallisches Glas 15-mal seiner ursprünglichen kritischen Gussdicke zu gießen.

"Die schichtweise Verarbeitung während des 3D-Drucks bietet ausreichend hohe Abkühlraten pro Schicht, um BMGs (Bulk-Metallic-Glas) zu erzeugen, die erheblich größer sind als diejenigen, die mit herkömmlichen Techniken hergestellt werden", sagte Dr. Zaynab Mahbooba, Doktorandin am NC State Department für Materialwissenschaften und Werkstofftechnik und Erstautorin der Arbeit.

So funktioniert's

In der Studie verwendeten die Forscher eine Laser-Pulverbett-Fusionsmethode.

„Der Prozess funktioniert, indem zuerst eine dünne Schicht Metallpulver auf ein Substrat aufgetragen wird (in unserem Fall war das Metall eine glasbildende Legierung), ein Laser die Pulverbasis selektiv von den Querschnitten der endgültigen Geometrie abschmilzt und dann eine weitere Schicht verbreitet ist “, sagte Mahbooba.

"Dieser Vorgang wiederholt sich, bis die endgültige Geometrie fertig ist."

Die Forscher mussten die Laserparameter anpassen, um den einzigartigen Anforderungen metallischer Glaslegierungen gerecht zu werden und die mechanischen Eigenschaften und die Mikrostruktur zu verbessern, erklärte Mahbooba.

Durch diese neue Technik wird die Legierung nach und nach geformt, so dass sie schnell abkühlt und ihre amorphen Eigenschaften beibehält und schließlich ein festes, metallisches Glasobjekt bildet.

Zukünftige Auswirkungen

Diese Technik könnte die Tür für den 3D-Druck vieler anderer amorpher Legierungen öffnen, wird jedoch nicht sofort zum Einsatz kommen.

"Es gibt keinen Grund, warum mit dieser Technik keine amorphe Legierung hergestellt werden kann." Ola HarryssonEdward P. Fitts, ausgezeichneter Professor für industrielle Systeme und Ingenieurwesen am NC State und korrespondierender Autor des Papers, sagte in einer Erklärung.

"Einer der einschränkenden Faktoren an dieser Stelle ist die Herstellung oder der Erwerb von Metallpulvern mit der gewünschten Legierungszusammensetzung." 

Zusätzlich müssen die Forscher viele Legierungszusammensetzungen testen, um die richtige Kombination von Eigenschaften zu finden.

"Zum Beispiel möchten Sie sicherstellen, dass Sie nicht nur die gewünschten elektromagnetischen Eigenschaften haben, sondern dass die Legierung für den praktischen Gebrauch nicht zu spröde ist", sagte Mahbooba in einer Erklärung.

Die Forscher arbeiten ab sofort daran, diese Technik auf den Bau von Elektromotoren anzuwenden.

„Derzeit werden Elektromotoren aus kristallinen Metallen hergestellt. Daher müssen wir für die Entwicklung von Elektromotoren auf BMG-Basis eine BMG-Legierung mit optimalen Materialeigenschaften für die Anwendung (sie muss magnetisch sein!) und auch für die additive Fertigung entwickeln “, sagte Mahbooba.

Die Studie umfasste auch Harvey West, Timothy Horn und Christopher Rock von NC State; Lena Thorsson, Mattias Unosson und Peter Skoglund von Sindre Metals; und Evelina Vogli von Liquidmetal Coatings.

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