Für Hersteller bietet der 3D-Druck oder die additive Fertigung eine Möglichkeit, komplex geformte Teile herzustellen, die haltbarer, leichter und umweltfreundlicher sind als Teile, die mit herkömmlichen Verfahren hergestellt werden. Die Branche boomt. Einige Leute sagen voraus, dass sich seine Größe alle drei Jahre verdoppeln wird, aber es hat auch eine Reihe von Problemen mit seiner schnellen Entwicklung.

Restspannungen sind ein Nebenprodukt des wiederholten Erhitzens und Abkühlens im Metalldruckprozess. Es kann zu Defekten an den Teilen führen und in einigen Fällen den Drucker beschädigen. Um besser zu verstehen, wie Eigenspannungen entstehen und wie sie unterdrückt werden können, haben Forscher des National Institute of Standards and Technology (NIST), des Lawrence Livermore National Laboratory, des Los Alamos National Laboratory (Los Alamos) Alamos National Laboratory) und anderer Forschungseinrichtungen haben die Auswirkungen verschiedener Druckmuster auf Teile aus Titanlegierungen, die mit herkömmlichen Laserverfahren hergestellt wurden, sorgfältig untersucht.

Die Forscher testeten vier verschiedene Druckmuster, bei denen der Laser entweder kontinuierlich im Metallpulver hin und her schmolz oder in verschiedenen quadratischen Inseln aufschmolz und sich parallel zur Längsseite des Teils oder diagonal zum Teil erstreckte.

Die in der Fachzeitschrift Additive Manufacturing veröffentlichten Forschungsergebnisse zeigten, dass ein gedrucktes Muster namens "Inselscanning" die schlechteste aller Forschungsmethoden war, die nicht den Erwartungen des Teams entsprach. . Die von ihnen produzierten Daten können Herstellern helfen, Vorhersagemodelle für den 3D-Druck zu testen und zu verbessern. Wenn die Modelle genau sind, können sie zerstörerische Restspannungen vermeiden.

Dies ist sehr überraschend und unterstreicht die Komplexität des Problems. Der Co-Autor der Studie und NIST-Materialforschungsingenieur Thien Phan sagte, dass dies zeigt, dass das Insel-Scannen zwar in vielen Situationen effektiv sein kann, es jedoch bei der Arbeit nicht funktioniert, was die Tatsache unterstreicht, dass wir eine genaue Modellierung benötigen.

Forscher des NIST und anderer Institutionen verwendeten laserbasierte Verfahren, um vier Miniatur-Metallbrücken in 3D zu drucken, von denen jede mit einem anderen Druckmuster (Linienwerbung) hergestellt wurde. Das Forschungsteam maß die Zug- (rot) und Druckniveaus (blau) innerhalb der Brücke in drei verschiedenen Richtungen und bestimmte die vertikalen Dehnungsniveaus entlang der Kanten einiger Proben.

Die Forschung des Teams konzentrierte sich auf eine beliebte additive Fertigungsmethode namens Laser Powder Bed Fusion (LPBF). Bei diesem Verfahren scannt ein Laser eine Schicht aus Metallpulver, wobei Partikel auf der Oberfläche in einem vorbestimmten Muster zusammengeschmolzen und verschmolzen werden. . Wenn das geschmolzene Metall zu einem Festkörper abkühlt, wird der Arbeitstisch, der das Material trägt, abgesenkt und der Drucker trägt eine neue Pulverschicht darauf auf, sodass der Laser die Teile Schicht für Schicht weiter fertigen kann.

Sobald das zweite Obergeschoss des Gebäudes beginnt, beginnen die Eigenspannungen anzusteigen. Das in LPBF verwendete Metall kühlt schnell ab, was bedeutet, dass das Metall in der vorherigen Schicht bereits fest ist, wenn der Laser des Druckers beginnt, die neue Schicht zu erhitzen. Die geschmolzene Metallschicht schrumpft beim Abkühlen nach innen, zieht das feste Metall darunter und erzeugt Druck. Je größer die Temperaturdifferenz ist, desto größer ist die Zugkraft der Schmelzschicht. Dieser Vorgang wird für jede Schicht wiederholt, bis das Teil fertig ist, wodurch die Spannung im festen Metall festgehalten wird.

Am Ende erzeugen Sie unglaubliche Restspannungen in Ihren Werkstücken, sagte Phan. Eigenspannungen können die Teile reißen und während des Herstellungsprozesses ansteigen, was die Maschine zum Absturz bringen kann.

Der einfachste Druckmodus bei LPBF ist das kontinuierliche Scannen, bei dem der Laser von einem Ende zum anderen hin und her scannt. Um Stress abzubauen, hat sich jedoch eine Alternative namens Insel-Scannen herauskristallisiert. Die Idee hinter dieser Methode ist, dass das Schmelzen eines kleinen Teils oder einzelner Inseln anstelle einer ganzen Schicht die Schrumpfung des Metalls reduzieren kann, während gleichzeitig der Gesamtdruck verringert wird.

Das Insel-Scannen hat die Gunst der Hersteller gewonnen, aber die bisherige Forschung zu dieser Technologie war inkonsistent. Im weiteren Sinne bleibt die Beziehung zwischen der Scanstrategie und der Restspannung weitgehend ein Rätsel. Um diese Lücken zu schließen, begann das behördenübergreifende Team, die Auswirkungen des Inselscannings auf Stress im Detail zu analysieren.

Die Autoren dieser neuen Studie druckten vier Brücken aus Titanlegierung mit einer Länge von über 2 cm (0.8 Zoll). Diese Proben werden durch kontinuierliches oder Inselscannen erstellt, wobei der Laser entlang ihrer Länge und Breite oder in einem Winkel von 45 Grad läuft.

Auf den ersten Blick wirken diese Brücken wie aus einem Drucker gedruckt, doch die Forscher haben sich nicht nur den Oberflächenwert angesehen, sondern auch ihre Details sorgfältig studiert.

Sie feuerten hochenergetische Röntgenstrahlen aus einem leistungsstarken Werkzeug namens Synchrotron in die Tiefen der Probe. Durch Messung der Wellenlänge der vom Metall reflektierten Röntgenstrahlen konnte das Team den Abstand zwischen den Metallatomen genau bestimmen. Von dort berechneten die Forscher den Druck. Je größer der Abstand, desto größer der Druck auf das Metall. Nachdem sie diese Schlüsselinformationen beherrschten, erstellten sie eine Karte, die den Ort und den Belastungsgrad in der gesamten Probe zeigt.

Die Spannung aller Proben liegt nahe der Streckgrenze der Titanlegierung – dem Festigkeitspunkt, an dem das Material eine bleibende Verformung erfährt. Aber diese Karten zeigten auch etwas, das die Forscher überraschte.

Der NIST-Physiker und Co-Autor Lyle Levine sagte, dass es an den Seiten und der Oberseite der Insel-Scan-Probe viel Stress gibt, der bei der kontinuierlichen Scan-Probe nicht oder nicht so offensichtlich ist. Wenn Insel-Scannen eine Möglichkeit für die Industrie ist, diesen Druck abzubauen, würde ich sagen, dass es in diesem speziellen Fall alles andere als erfolgreich ist.

In einem anderen Test entfernten sie einen Schenkel jeder Brücke vom Metallsubstrat. Die Autoren der Studie maßen den Abstand der Brückenschenkel nach oben und erhielten so ein weiteres Maß für die im Gewölbe jeder Brücke gespeicherte Eigenspannung. In ähnlicher Weise schnitten die inselförmigen Abtastproben schlecht ab und ihre Beine wurden mehr als doppelt so stark ausgelenkt wie die anderen Proben.

Der Autor schlägt vor, dass das Scannen von Inseln ein zweischneidiges Schwert sein könnte. Obwohl kleine Inseln die Schrumpfung reduzieren können, können Inseln auch viel schneller abkühlen als größere Schmelzpools, wodurch eine größere Temperaturdifferenz und damit ein größerer Druck erzeugt wird.

Pan sagte, dass der Inselscan zwar nicht für die spezifischen Teile, Materialien und Geräte geeignet ist, die in der Forschung verwendet werden, aber unter anderen Umständen immer noch eine gute Wahl ist. Die Ergebnisse zeigen jedoch, dass es kein Allheilmittel gegen Restspannungen ist. Um Druck zu vermeiden, müssen die Hersteller möglicherweise Scanstrategien und andere Parameter entsprechend ihren spezifischen Modellen anpassen – Computermodelle werden dabei sehr hilfreich sein.

Wenn die Vorhersage richtig ist, können Hersteller das Modell verwenden, um schnell und kostengünstig die besten Parameter zu bestimmen, anstatt den Druck durch Versuch und Irrtum zu optimieren. Levine sagte, dass Modellierer ihre Werkzeuge durch strenge Benchmark-Messungen testen können, genau wie Daten, die in neuer Forschung gewonnen wurden, und so ihr Vertrauen in die Werkzeuge erhöhen.

Diese Arbeit bietet eine neue Perspektive auf eine beliebte Druckstrategie, fügt dem Puzzle der Eigenspannungsbildung einen wichtigen Teil hinzu und bringt den 3D-Druck letztendlich seinem vollen Potenzial näher.

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