Neutronen helfen Forschern, den Spannungsabbau in 3D-gedruckten Teilen in Echtzeit zu beobachten

Die Hitze, der Druck und die Kräfte, denen Materialien während Herstellungsprozessen ausgesetzt sind, wie z. B. Formen, Gießen und Gießen, können zu internen Inkonsistenzen in hergestellten Metallteilen führen. Zu diesen Inkonsistenzen gehören Verzerrungen und ungleichmäßige Mikrostrukturen oder „Dehnungen“, die dazu führen können, dass die Teile reißen und versagen.

Die Reduzierung der inneren Spannungen in hergestellten Teilen ist der Grund, warum Wärmebehandlungen nach dem Bau, wie z. B. Glühen, üblich sind. Beim Glühen werden hergestellte Teile auf hohe Temperaturen erhitzt, um innere Spannungen zu verringern oder abzubauen.

Wissenschaftler von GE Global Research und der University of California in Berkeley arbeiten an der Verbesserung von Produktionsmodellen, die zu einer besseren Konstruktion und Wärmebehandlung von Teilen beitragen. In einer kürzlich durchgeführten Studie konzentrierten sie sich auf Teile, die mit Techniken der additiven Fertigung (AM) hergestellt wurden, bei denen 3D-Teile Schicht für Schicht aufgebaut oder „gedruckt“ werden. Sie analysierten die interne Spannungsbildung im Zusammenhang mit AM-Prozessen während Neutronenexperimenten am Oak Ridge National Laboratory (ORNL) des US-Energieministeriums (DOE). Die Ergebnisse mit dem Titel „Überwachung der Restspannungsrelaxation und bevorzugte Kornorientierung von additiv hergestelltem Inconel 625 durch in-situ-Neutronenbildgebung“ sind in veröffentlicht Additive Fertigung.

Die Studie umfasste Teile, die mit laserbasierter additiver Fertigung hergestellt wurden, bei der ein Strukturmaterial mit einem Laser geschmolzen und abgeschieden wird. Das geschmolzene Material – typischerweise beginnend als Metall- oder Kunststoffpulver – kühlt schnell ab und härtet aus, bevor eine weitere Schicht darauf abgeschieden wird.

Laserbasierte AM kann aufgrund der schnellen Erwärmung und Abkühlung während des Bauprozesses auch innere Spannungen verursachen. Glühen kann die inneren Spannungen reduzieren, aber zu viel Hitze kann unerwünschte strukturelle Veränderungen im Material verursachen.

Unter Verwendung von Neutronenbeugung an der VULCAN-Beamline des ORNL maßen die Forscher eine hohe innere Restspannung in Bestandsproben von Inconel 625, einer gewöhnlichen Metalllegierung. Eine ergänzende Technik, die Neutronenbildgebung, wurde dann an der SNAP-Beamline des ORNL verwendet, um – in Echtzeit – zu messen, wie das Glühen der Teile die innere Spannung reduziert. Erste Kalibrierungsexperimente wurden an der NOBORU-Beamline im Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) durchgeführt.

„Bei der Verwendung von Laser-AM ist die zu schmelzende obere Schicht sehr heiß, während die unteren Schichten abgekühlt sind. Diese Temperaturschwankungen können innere Spannungen erzeugen, die zu Rissen führen können“, sagte Ade Makinde, leitender Ingenieur bei GE Global Research. „Neutronen haben uns geholfen, während des Glühprozesses in Echtzeit durch die Ofenwände zu schauen. Wir haben beobachtet, wo und bei welcher Temperatur die Spannung im Material beim Erhitzen abgebaut wurde. Es ist ein Balanceakt. Wir müssen das Material erhitzen, um die Spannung abzubauen, aber vermeiden Sie zu hohe Temperaturen, um ungewollte Strukturveränderungen zu verhindern.“

Die gewonnenen Daten helfen GE dabei, seine Computermodellierung von Produktionsprozessen zu verbessern, um mechanische Fehler in gedruckten Komponenten zu reduzieren oder zu eliminieren. Das Modell kann beispielsweise zeigen, wie eine Änderung der Form eines Teils es stärker machen kann, indem die während der Produktion auftretenden Eigenspannungen minimiert werden. Es kann auch anzeigen, ob eine Änderung der Breite des Laserstrahls oder der Geschwindigkeit, mit der sich der Laser bewegt, die Produktionsqualität verbessern kann.

„Die Neutronenbildgebung an der SNAP-Beamline erleichterte das Experiment, wie es nur wenige Neutronenanlagen weltweit tun können“, sagte Anton Tremsin, ein Vollforschungsphysiker an der UC Berkeley. „Ja, Röntgenbeugungsmessungen können die Dehnungsrelaxation an bestimmten Punkten überwachen. Mit der Neutronenbildgebung können wir jedoch das gesamte Schüttgut gleichzeitig in Echtzeit und mit sehr hoher räumlicher Auflösung betrachten. Die Daten werden uns bei der Entwicklung von Instrumenten und Datenanalysen helfen Methoden für neue, zerstörungsfreie Prüftechniken.“

Das Team glühte jedes der 3D-gedruckten Teile mehrere Stunden lang in einem Vakuumofen bei entweder 1.300 °F oder 1.600 °F (700 °C oder 875 °C). Die Neutronen durchdrangen leicht die Wände des Vakuumofens und bildeten das gesamte Volumenteil ab, als die innere Spannung abgebaut wurde. Der Stressabbau war bei der niedrigeren Temperatur innerhalb von 1,0 bis 1,5 Stunden abgeschlossen, während er bei der höheren Temperatur nur wenige Minuten dauerte.

„Die Menge und Verteilung der internen Belastung hing mit der Laserstrahlgeschwindigkeit, der Laserleistung und anderen Parametern während der Produktion zusammen“, sagte Ke An, leitender Instrumentenwissenschaftler für die VULCAN-Beamline an der Spallations-Neutronenquelle (SNS) des ORNL von unschätzbarem Wert, zusammen mit einem besseren Verständnis dafür, wie Teile schneller geglüht werden können, ohne ihre strukturelle Integrität zu beeinträchtigen. Dies bedeutet, dass GE und andere Forschungspartner der Industrie jetzt zuversichtlich vorhersagen können, wie sie ihre Produktdesigns und Produktionsprozesse verbessern können.“

„Diese Forschung zeigt, wie Industrie, Hochschulen und die DOE-Labors bei realen Herausforderungen zusammenarbeiten können“, sagte Hassina Bilheux, leitende Wissenschaftlerin für Bildgebung am High Flux Isotope Reactor (HFIR) des ORNL. „Das ORNL ist die einzige Einrichtung in den USA, die in der Lage ist, der globalen Neutronennutzergemeinschaft komplementäre Beugungs- und Neutronenbildgebungstechniken bereitzustellen. Wir bieten auch Hochgeschwindigkeits-Datenerfassung und analytische Expertise.“

Bilheux fügte hinzu, dass die derzeit bei SNS im Bau befindliche VENUS-Bildgebungs-Beamline eine breitere Palette von Neutronenenergien bieten wird, mit denen Benutzer arbeiten können. Benutzerexperimente werden auch von der intensiveren 2,0-Megawatt-Protonenleistung des aufgerüsteten SNS-Linearbeschleunigers profitieren. „VENUS wird eine verbesserte Bildgebung des strukturellen und mechanischen Verhaltens in Geräten ermöglichen, die unter extremen Bedingungen wie Hitze und Druck betrieben und diesen ausgesetzt werden Herstellungsprozesse.“

„Wir bei GE sind sehr zufrieden mit den Daten aus diesen Experimenten und wie einfach es war, die Neutronenanlagen am ORNL zu nutzen“, sagte Makinde. „Alle notwendigen Geräte waren bereits an den Beamlines installiert und kalibriert, sodass wir beispielsweise keinen eigenen Vakuumofen mitbringen mussten. Der Ofen an der SNAP-Beamline hielt kontrollierte Temperaturen aufrecht und alles wurde synchronisiert, um eine genaue Datenerfassung zu gewährleisten.“

Die Wissenschaftler von GE verwenden die Daten, um verbesserte Computermodelle zu entwickeln, die helfen können, vorherzusagen, ob und wo 3D-gedruckte Teile reißen könnten. Sie können dann feststellen, wie die Reduzierung interner Spannungen und die Optimierung von Konstruktionen dazu beitragen können, solche Fehler zu vermeiden.