Neuartige Ätztechnik verbessert die Absorptionsfähigkeit von Pulvern für den 3D-Metalldruck

In einem bedeutenden Fortschritt für die additive Fertigung von Metallen haben Forscher des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) und ihre akademischen Partner eine Technik entwickelt, die das optische Absorptionsvermögen von Metallpulvern verbessert, die im 3D-Druck verwendet werden.

Der Ansatz, bei dem nanoskalige Oberflächenmerkmale auf Metallpulvern erzeugt werden, verspricht laut Forschern eine Verbesserung der Effizienz und Qualität gedruckter Metallteile, insbesondere bei anspruchsvollen Materialien wie Kupfer und Wolfram.

Die additive Fertigung (AM) – besser bekannt als 3D-Druck – hat die Art und Weise, wie Produkte entworfen und hergestellt werden, verändert und ermöglicht die Erstellung komplexer Geometrien und kundenspezifischer Komponenten, die mit herkömmlichen Fertigungsmethoden nur schwer zu erreichen sind.

Eine der anhaltenden Herausforderungen beim 3D-Metalldruck mit Laser-Pulverbettschmelzverfahren (LPBF) ist jedoch das hohe Reflexionsvermögen bestimmter Metalle, das zu einer ineffizienten Energieabsorption während des Druckprozesses führen und sogar einige Druckmaschinen beschädigen kann. Diese Ineffizienz führt laut Forschern häufig zu einer unzureichenden Druckqualität und einem erhöhten Energieverbrauch.

In einer Studie diese Problematik gezielt angehen veröffentlicht als September-Cover der Zeitschrift Wissenschaftliche FortschritteDas von Wissenschaftlern des LLNL, der Stanford University und der University of Pennsylvania geleitete Team hat ein neuartiges nasschemisches Ätzverfahren eingeführt, das die Oberfläche herkömmlicher Metallpulver modifiziert. Durch die Schaffung von Rillen und Texturen im Nanomaßstab konnten die Forscher die Absorptionsfähigkeit dieser Pulver um bis zu 70 % erhöhen und so eine effektivere Energieübertragung während des Laserschmelzprozesses ermöglichen.

„Derzeit gilt die Herstellung hochwertiger AM aus reinem Kupfermetall mit standardmäßigen kommerziellen laserbasierten Maschinen im Allgemeinen als nicht machbar“, sagte Co-Hauptautor und LLNL-Materialwissenschaftler Philip DePond. „Unsere Methode kombiniert die Wirkung traditioneller Oberflächenbehandlungen [that increase absorptivity] Aber die Reinheit oder die Materialeigenschaften von Kupfer, die es wünschenswert machen – nämlich seine hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit –, werden dabei nicht beeinträchtigt.

„Grundsätzlicher gesagt haben wir gezeigt, dass sich Laser-Pulver-Wechselwirkungen auf Regionen jenseits des Schmelzbads erstrecken. Dies wurde in Simulationen gezeigt, insbesondere in den am LLNL durchgeführten High-Fidelity-Simulationen, aber experimentell nicht wirklich detailliert. Wir haben gezeigt, dass diese Wechselwirkungen existieren und können.“ für den Prozess von Vorteil sein.

Die Nassätztechnik sei relativ einfach, aber sehr effektiv, sagten Forscher. Das Team tauchte Metallpulver wie Kupfer und Wolfram in speziell formulierte Lösungen, die selektiv Material von der Oberfläche entfernen.

Dieser Prozess führt zur Bildung komplizierter nanoskaliger Strukturen, die die Fähigkeit des Pulvers, Laserlicht zu absorbieren, verbessern. Um die Oberflächenmerkmale der geätzten Pulver zu charakterisieren, verwendeten die Forscher fortschrittliche Bildgebungstechniken, darunter die Synchrotron-Röntgen-Nanotomographie, die detaillierte 3D-Darstellungen der Pulverpartikel lieferte und es dem Team ermöglichte, den elektromagnetischen Einfluss der nanoskaligen Modifikationen zu analysieren und genau zu modellieren.

Das Team führte umfangreiche Experimente durch, um den Mechanismus der erhöhten Absorptionsfähigkeit der modifizierten Pulver zu demonstrieren und zuzuordnen. Prozessoptimierungsstudien und schließlich Massen- und komplexe Musterdrucke wurden mit speziell angefertigten LPBF-Systemen durchgeführt, die im Advanced Manufacturing Laboratory des LLNL und im MIRILIS-Laser-Material-Interaktionslabor untergebracht sind.

Forscher sagten, die verbesserte Absorptionsfähigkeit von Metallpulvern sei ein vielversprechender Schritt vorwärts zur Reduzierung des Energieverbrauchs in der Fertigung, insbesondere da die Nachfrage nach nachhaltigeren und effizienteren Herstellungsprozessen weiter wächst.

Eine der wichtigsten Erkenntnisse des Teams war, dass sie hochreine Kupfer- und Wolframstrukturen mit geringerem Energieaufwand drucken konnten, weniger als 100 J/mm3 für Kupfer, was in etwa dem Bereich für hochdichte Titan- und Edelstahllegierungen von ~700 entspricht J/mm3 für Wolfram, etwa 1/3 weniger Energie als normalerweise verwendet wird.

„Im weitesten Sinne ermöglichen wir das Drucken von Kupfer ohne das Risiko einer Beschädigung des AM-Systems selbst“, erklärte DePond. „Auch das Prozessparameterfenster wird breiter, wodurch eine größere Vielfalt an Scanbedingungen untersucht werden kann, die häufig beim Drucken komplexer Geometrien erforderlich sind. Schließlich haben sich einige Maschinenhersteller sogar die Mühe gemacht, völlig neue Maschinen zu entwickeln.“ Die Verarbeitung von Kupfer und anderen stark reflektierenden Materialien kostet fast das Doppelte einer herkömmlichen Maschine, sodass die Eintrittsbarriere für das Drucken dieser Materialien unerschwinglich hoch ist.

Die möglichen Anwendungen der Erkenntnisse könnten unmittelbare Auswirkungen auf die Produktion haben. Forscher sagten, dass die Möglichkeit, mit weniger Energie zu drucken, nicht nur die Betriebskosten senkt, sondern auch die Umweltauswirkungen des Herstellungsprozesses minimiert und den Kupfer-3D-Druck einem ganz neuen Kreis von Herstellern eröffnet.

„Diese Methode ermöglicht es sogar kommerziellen Maschinen mit relativ geringer Laserleistung, Kupfer zu drucken, was den Prozess demokratisiert und einer breiteren Gemeinschaft Zugang verschafft“, sagte Dan Flowers, Leiter des Energiesicherheitsprogramms, und fügte hinzu, dass er hofft, dass die Arbeit der Industrie eine bessere Nutzung ermöglichen wird Kupfer in der modernen Fertigung.

„Vom Wärmeaustausch bis zur Katalyse unterstützt ein effizienteres Drucken von Kupfer die Entwicklung vieler sauberer Energie- und Dekarbonisierungstechnologien“, sagte Flowers. „Die LLNL-Gemeinschaft und unsere Mission zur kohlenstoffarmen Energie werden von dieser Möglichkeit profitieren.“

Das verbesserte Absorptionsvermögen und die verbesserte Pulverdynamik könnten auch die Herstellung qualitativ hochwertiger Druckteile mit größerer relativer Dichte ermöglichen. In ihren Experimenten erreichten die Forscher relative Dichten von bis zu 92 % mit der Hälfte des Energieaufwands im Vergleich zu anderen gedruckten Kupferkomponenten und über 99 % mit höheren Energien, was auf das Potenzial für die Herstellung stärkerer und langlebigerer Metallteile hinweist.

Als nächstes möchte das Team die Auswirkungen der Nanotexturierung auf die Elementarmischung von Pulvern untersuchen, beispielsweise Materialien, die zum Schmelzen typischerweise drastisch unterschiedliche Energien benötigen.