Das Team nutzt 3D-Druck, um ein Schlüsselmaterial in der Luft- und Raumfahrt, nämlich Energie, zu stärken

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Die Schlüsselmaterialien für viele wichtige Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt sowie der Energieerzeugung müssen extremen Bedingungen wie hohen Temperaturen und Zugspannungen standhalten, ohne zu versagen. Jetzt berichtet ein Team von MIT-geführten Ingenieuren über eine einfache und kostengünstige Möglichkeit, eines der Schlüsselmaterialien zu verstärken, die heute in solchen Anwendungen verwendet werden.

Darüber hinaus glaubt das Team, dass ihr allgemeiner Ansatz, der den 3D-Druck eines mit keramischen Nanodrähten verstärkten Metallpulvers beinhaltet, zur Verbesserung vieler anderer Materialien genutzt werden könnte. „Es besteht immer ein erheblicher Bedarf an der Entwicklung leistungsfähigerer Materialien für extreme Umgebungen. Wir glauben, dass diese Methode großes Potenzial für andere Materialien in der Zukunft hat“, sagt Ju Li, Professor für Nukleartechnik bei der Battelle Energy Alliance und Professor in Abteilung für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik (DMSE) des MIT.

Li, der auch dem Materials Research Laboratory (MRL) angehört, ist einer von drei korrespondierenden Autoren eines Artikels über die Arbeit, der in der Ausgabe von Additive Manufacturing vom 5. April erschien. Die anderen korrespondierenden Autoren sind Professor Wen Chen von der University of Massachusetts in Amherst und Professor A. John Hart vom MIT Department of Mechanical Engineering.

Co-Erstautoren des Artikels sind Emre Tekoğlu, ein MIT-Postdoc in der Abteilung für Nuklearwissenschaft und -technik (NSE); Alexander D. O'Brien, ein NSE-Doktorand; und Jian Liu von UMass Amherst. Weitere Autoren sind Baoming Wang, ein MIT-Postdoc in DMSE; Sina Kavak von der Technischen Universität Istanbul; Yong Zhang, Forschungsspezialist am MRL; Also Yeon Kim, ein DMSE-Absolvent; Shitong Wang, ein NSE-Absolvent; und Duygu Agaogullari von der Technischen Universität Istanbul.

Auf dem Weg zu besserer Leistung

Der Ansatz des Teams beginnt mit Inconel 718, einer beliebten „Superlegierung“ oder einem Metall, das extremen Bedingungen wie Temperaturen von 700 Grad Celsius (ca. 1.300 Grad Fahrenheit) standhalten kann. Sie mahlen kommerzielle Inconel 718-Pulver mit einer kleinen Menge keramischer Nanodrähte, was zu „einer homogenen Dekoration von Nanokeramik auf den Oberflächen von Inconel-Partikeln“ führt, schreibt das Team.

Das resultierende Pulver wird dann zur Herstellung von Teilen mittels Laser-Pulverbettschmelzen, einer Form des 3D-Drucks, verwendet. Bei diesem Verfahren werden dünne Pulverschichten gedruckt, die jeweils einem Laser ausgesetzt werden, der sich über das Pulver bewegt und es in einem bestimmten Muster schmilzt. Dann wird eine weitere Schicht Pulver darauf verteilt und der Vorgang wiederholt sich, wobei sich der Laser bewegt, um das Muster für die neue Schicht zu schmelzen und es mit der darunter liegenden Schicht zu verbinden. Der Gesamtprozess kann komplizierte 3D-Teile erzeugen.

Die Forscher fanden heraus, dass Teile, die auf diese Weise mit ihrem neuen Pulver hergestellt wurden, deutlich weniger Porosität und weniger Risse aufweisen als Teile, die nur aus Inconel 718 hergestellt wurden. Und das wiederum führt zu deutlich stärkeren Teilen, die darüber hinaus noch eine Reihe weiterer Vorteile mit sich bringen. Sie sind beispielsweise duktiler – oder dehnbarer – und weisen eine wesentlich bessere Beständigkeit gegenüber Strahlung und Hochtemperaturbelastungen auf.

Außerdem ist das Verfahren selbst nicht teuer, denn „es funktioniert mit vorhandenen 3D-Druckmaschinen. Verwenden Sie einfach unser Pulver und Sie erhalten eine viel bessere Leistung“, sagt Li.

Xu Song, ein Assistenzprofessor an der Chinesischen Universität Hongkong, der nicht an der Arbeit beteiligt war, kommentiert: „In diesem Papier schlagen die Autoren eine neue Methode zum Drucken von Metallmatrix-Verbundwerkstoffen aus Inconel 718 vor, die durch [keramische] Nanodrähte verstärkt sind.“ Die durch den Laserschmelzprozess induzierte In-situ-Auflösung der Keramik hat die thermische Beständigkeit und Festigkeit von Inconel 718 verbessert. Darüber hinaus haben die In-situ-Verstärkungen die Korngröße reduziert und Fehler beseitigt. Zukünftiger 3D-Druck von Metalllegierungen, einschließlich der Modifikation für hochreflektierendes Kupfer und der Bruchunterdrückung für Superlegierungen, können eindeutig von dieser Technik profitieren.“

Ein riesiger neuer Raum

Li sagt, dass die Arbeit „einen riesigen neuen Raum für das Legierungsdesign eröffnen könnte“, da die Abkühlgeschwindigkeit von ultradünnen 3D-gedruckten Schichten aus Metalllegierungen viel schneller ist als die Geschwindigkeit von Massenteilen, die mit herkömmlichen Schmelzerstarrungsprozessen hergestellt werden. Infolgedessen „scheinen viele der Regeln zur chemischen Zusammensetzung, die für Massenguss gelten, für diese Art des 3D-Drucks nicht zu gelten. Wir haben also einen viel größeren Kompositionsraum, den wir für das Grundmetall mit Keramikzusätzen erkunden können.“

Emre Tekoğlu, einer der Hauptautoren des Artikels zur additiven Fertigung, sagt: „Diese Zusammensetzung war eine der ersten, für die wir uns entschieden haben, daher war es sehr aufregend, diese Ergebnisse im wirklichen Leben zu erhalten. Es gibt noch viel Forschungsraum.“ Wir werden weiterhin neue Inconel-Verbundformulierungen erforschen, um am Ende Materialien zu entwickeln, die extremeren Umgebungen standhalten können.“

Alexander O'Brien, ein weiterer Hauptautor, sagt: „Die Präzision und Skalierbarkeit, die der 3D-Druck mit sich bringt, hat eine Welt voller neuer Möglichkeiten für das Materialdesign eröffnet. Unsere Ergebnisse hier sind ein aufregender erster Schritt in einem Prozess, der sicherlich von großer Bedeutung sein wird.“ Auswirkungen auf das Design der Kernenergie, der Luft- und Raumfahrt sowie der gesamten Energieerzeugung in der Zukunft.“

Diese Arbeit wurde von Eni SpA durch die MIT Energy Initiative, die National Science Foundation und ARPA-E unterstützt.

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