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May 30, 2023

Ein Zeitfenster zur Beschleunigung der Legierungsentwicklung für die additive Fertigung

Alle Bilder Quelle: Bigstock Additive Fertigungstechnologien (AM) bieten eine Reihe von Vorteilen, darunter Leichtbaustrukturen (Gitter, dreifach periodische Minimalflächen und andere organische).

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Additive Fertigungstechnologien (AM) bieten eine Reihe von Vorteilen, darunter leichte Strukturen (Gitter, dreifach periodische Minimalflächen und andere organische Formen), die Konsolidierung von Teilen, die Begrenzung der Notwendigkeit von Werkzeugen und die Reduzierung der Vorlaufzeit. Diese Vorteile können dazu beitragen, die Produktionsproduktivität, den Ertrag und die Kosten zu steigern. Aus diesen Gründen wurde AM für eine Vielzahl von Anwendungen in den Bereichen Luftfahrt, Automobil, Medizin, Energie, Raumfahrt und Verteidigung in Betracht gezogen. AM hat auch die Art und Weise in Frage gestellt, wie Fertigungstechnologien selektiv eingesetzt werden. AM hat erhebliche Verdienste bei der Unterstützung des schnellen Testens und der Evaluierung neuartiger Designkonzepte gezeigt, und es wurde eine Produktentwicklung für die Herstellung von Testgeräten, Vorrichtungen, Vorrichtungen und Testteilen realisiert. Als Reparaturtechnologie bietet AM auch die Möglichkeit, die Produktlebenszykluskosten zu beeinflussen.

Der Großteil der Metall-AM-Produktentwicklung im letzten Jahrzehnt konzentrierte sich auf alte Legierungen, die in der Vergangenheit für Guss- oder Schmiedeanwendungen entwickelt wurden. In der jüngeren Geschichte hat die AM-Community begonnen, diese Materialien informell als die erste Generation von AM-Materialien zu bezeichnen. In den letzten sieben Jahren gab es ausgewählte Bemühungen, die Verbesserung der Materialleistung durch Modifizierung der physikalischen und chemischen Eigenschaften des Ausgangsmaterials zu erforschen und zu fördern. Dazu können Modifikationen ausgewählter Legierungszusätze (an das untere oder obere Ende des angegebenen Konzentrationsbereichs der Legierungselemente) oder Anpassungen der Materialpartikelgrößenverteilung im Fall von Pulvermetallen gehören. Diese werden als AM-Materialien der zweiten Generation bezeichnet. Bei der dritten Generation handelt es sich um Legierungen, die mit AM als primärer Herstellungsmethode entwickelt wurden und deren chemische Zusammensetzung sich erheblich von den im Handel erhältlichen unterscheiden kann.

Brandon Ribic, Technologiedirektor von America Makes, spricht über die heutige Legierungsentwicklung für die additive Fertigung, was Hersteller in den nächsten Jahren erwarten können und die Bedeutung des Datenaustauschs.

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Die Modifizierung älterer Legierungen oder die Entwicklung völlig neuer Legierungen für AM bietet eine Vielzahl potenzieller Vorteile, darunter eine verbesserte Produktleistung, eine höhere Ausbeute und Produktivität sowie geringere Nachbearbeitungskosten. Trotz dieser Vorteile kann die Entwicklung und Qualifizierung von Legierungen mithilfe bestehender bewährter Ansätze auf Risiken und Herausforderungen stoßen, bei denen Kosten und Zeit bis zur Markteinführung die Übernahme in die Produktionsstückliste oder die Erfüllung der Return-on-Investment-Kriterien gefährden können. In vielen Fällen müssen Forschungs- und Entwicklungsbemühungen diese Herausforderungen direkt angehen, um tragfähige Materiallösungen zu skalieren und bereitzustellen. Die AM-Community muss diese Risiken erkennen, um die Auswirkungen auf die Entwicklungszeitpläne zu begrenzen und die Erfolgswahrscheinlichkeit zukünftiger Bemühungen zu erhöhen.

Es bestehen Möglichkeiten für die Entwicklung und Validierung neuer Werkzeuge, Techniken und Methoden zur Beschleunigung der Legierungsentwicklung für AM-Prozesse. Es wird erwartet, dass die Bereitstellung schnellerer und kostengünstigerer Möglichkeiten zur Qualifizierung und Zertifizierung von Legierungen die Wettbewerbsfähigkeit der inländischen Fertigung steigert und eine umfassendere Industrialisierung von AM-Materialien und Produktdesigns für Branchen wie Verteidigung, Luft- und Raumfahrt, Medizin, Automobil, Energie und Nukleartechnik fördert.

America Makes diskutiert seit Anfang 2021 Möglichkeiten zur Legierungsentwicklung mit der inländischen AM-Lieferkette und hat Erkenntnisse von über 100 Organisationen gesammelt. Eine wichtige Überlegung bei jedem materiellen Entwicklungsvorhaben ist, das Ende der Reise im Auge zu behalten. Allerdings wird die Legierungsentwicklung meist durch den Wunsch motiviert, produktspezifische Verbesserungen zu realisieren, darunter:

Die Verbesserung der chemischen und physikalischen Eigenschaften von Metallrohstoffen kann sich auf die Fähigkeit eines AM-Prozesses auswirken, bestimmte Geometrien einfach und wiederholbar herzustellen. Darüber hinaus können diese Eigenschaften erhebliche unbeabsichtigte Auswirkungen auf die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften des fertigen Materials haben. Angesichts dieser Risiken ist es wichtig, verschiedene abgestufte Ansätze einzubeziehen, um zu bewerten, wie die Eigenschaften des Ausgangsmaterials die Materialqualität sowohl in der vorläufigen als auch in der endgültigen Materialform beeinflussen. Materialdichte und Mikrostruktur können einen erheblichen Einfluss auf Prüfbarkeit, Schadenstoleranz und Zertifizierung haben. Auch die chemische Zusammensetzung und die physikalischen Eigenschaften können zu Mängeln führen, die zu einer nicht akzeptablen Materialqualität führen. Bei den Entwicklungsbemühungen müssen diese Faktoren berücksichtigt werden, da sie zu Rissen oder anderen Diskontinuitäten führen können.

Die chemische Zusammensetzung eines Materials beeinflusst die Festigkeitsmechanismen und kann eine Nachbearbeitung erforderlich machen, um gewünschte Mikrostrukturen und mechanische Eigenschaften zu fördern, und Bemühungen zur Legierungsentwicklung erfordern oft ein Verständnis dafür, wie AM-Materialien möglicherweise effektiv nachbearbeitet werden müssen. Es ist wichtig zu wissen, dass der Oberflächenzustand und die chemische Zusammensetzung eines Materials auch die Leistung nachfolgender Beschichtungen beeinflussen können. Die Qualifizierung und Zertifizierung erfordert nicht nur Materialtests, sondern könnte auch Tests auf Subsystem- und Systemebene umfassen. Darüber hinaus können Umfang und Kosten der Tests aufgrund der Anwendungskritikalität variieren. Alle diese Faktoren sollten bei der Beurteilung der AM-Legierungsentwicklung berücksichtigt werden, da sie den Gesamtprozess erheblich beeinflussen können.

Entwicklungsrisiken können durch die Identifizierung wesentlicher Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen angegangen werden. Forscher und Ingenieure werden ermutigt, die mikrostrukturelle Entwicklung von Materialien zu bewerten und ein Verständnis für Mechanismen zu entwickeln, die sich aufgrund von AM und Nachbearbeitung auf die Materialleistung und -konformität auswirken. In vielen Fällen erfordert die Materialentwicklung und -qualifizierung eine Analyse der mechanischen Eigenschaften des Materials über die Zugeigenschaften hinaus, und es wird empfohlen, dass diese Studien auf statistischer Grundlage erfolgen. Beispiele für physikalische und mechanische Materialeigenschaften, die möglicherweise bewertet werden müssen, sind Oxidation, Verschleiß, Ermüdungsrisswachstum und Kriech-/Spannungsbruch.

Neben den Entwicklungsrisiken geben auch Anfälligkeiten in der Beschaffung und Lieferkette Anlass zur Sorge. Abhängig von der Art des zu entwickelnden Materials (Zusammensetzung und Materialform [Draht, Pulver]) ist es wichtig, potenzielle Grenzen für die leicht zu beschaffenden Rohstoffmengen und die relativ hohen Stückkosten für bestimmte Materialien zu erkennen – alles Faktoren, die die Entwicklung gefährden können. Projektbudget und Zeitplan.

Auch die Kapazität zur einfachen Verarbeitung neuer Materialien in der Entwicklung kann begrenzt sein. Bestimmte Materialien sind nicht mit allen AM-Modalitäten kompatibel und darüber hinaus erfordern einige möglicherweise wesentlich neue Nachbearbeitungsmöglichkeiten, deren Kapazität begrenzt ist. Neue Materialien müssen schließlich in die inländische Lieferkette integriert werden, wobei qualifizierte Arbeitskräfte zur Unterstützung des Betriebs zur Verfügung stehen.

Angesichts des aktuellen Zustands der inländischen AM-Lieferkette und des Interesses der US-Regierung, AM-Technologien für verschiedene Leistungsanforderungen in großem Umfang einzusetzen, ist es zeitgemäß und gerechtfertigt, dass wir Investitionsmöglichkeiten identifizieren, die die Entwicklung und Qualifizierung von AM-Legierungen beschleunigen, um die Wettbewerbsfähigkeit der Fertigung zu stärken. Die von America Makes gesammelten Erkenntnisse deuten darauf hin, dass der Entwicklung der folgenden Materialien in naher Zukunft Priorität eingeräumt werden sollte:

America Makes ist sich der Vorteile, Chancen und Herausforderungen der Entwicklung neuartiger AM-Legierungen bewusst und hat sechs Bereiche strategischer Investitionen identifiziert, darunter:

Diese Schwerpunktbereiche werden inländische Fähigkeiten und Kapazitäten zur einfachen Identifizierung, Entwicklung und Skalierung wirtschaftlich tragfähiger neuartiger Metalllegierungen schaffen, Integrationsrisiken begrenzen und den Übergang innerhalb unserer bestehenden industriellen Produktionsbasis fördern. Diese Bemühungen werden auch das Wissen und die Kompetenz der bestehenden Lieferkette der Metallherstellung zur Herstellung fortschrittlicher Materialien stärken.

Brandon Ribic erwarb seinen Bachelor- und Doktortitel in Materialwissenschaft und Werkstofftechnik an der Pennsylvania State University. Seine Doktorarbeit konzentrierte sich auf die numerische Modellierung von Schmelzschweißprozessen, die sich für seine Bemühungen bei der Entwicklung und Qualifizierung von additiven Lasermetallfertigungsprozessen als sehr nützlich erwiesen hat.

Dr. Ribic kam im Oktober 2019 als America Makes Technology Director zu NCDMM. America Makes wird vom National Center for Defense Manufacturing and Machining (NCDMM) betrieben und ist der nationale Beschleuniger für AM und das erste von neun Manufacturing Innovation Institutes (MIIs), die vom US-Verteidigungsministerium (DoD) als öffentlich-private Partnerschaften gegründet und verwaltet werden . Er ist verantwortlich für die Kuratierung der AM-Technologie-Roadmap des Instituts und leitet die Bemühungen von America Makes im Rahmen der Additive Manufacturing Standardization Collaborative mit ANSI.

Bevor er zu NCDMM kam, war Brandon Spezialist für Fügeprozesse und additive Fertigungsmaterialien bei der Rolls-Royce Corporation. Er leitete die Bemühungen des Materials Technology Center im Bereich der Prozessmodellierung der additiven Fertigung (AM) und der In-situ-Prozessüberwachung. Seine Forschung konzentrierte sich auf Schweiß- und AM-Prozesse für verschiedene Komponenten von Gasturbinentriebwerken aus Titan- und Nickel-Superlegierungen. Eine seiner bemerkenswertesten Leistungen ist die erfolgreiche Entwicklung, Qualifizierung und Produktion (TRL 7) der ersten CMSX-4 AM-Reparatur für Rolls-Royce.

America Makes ist die landesweit führende öffentlich-private Partnerschaft für additive Fertigungstechnologie (AM) und Bildung. America Makes-Mitglieder aus Industrie, Wissenschaft, Regierung, Arbeitskräften und Wirtschaftsentwicklungsorganisationen arbeiten zusammen, um die Einführung von AM und die globale Wettbewerbsfähigkeit des Landes in der Fertigung zu beschleunigen. America Makes wurde 2012 als nationales Fertigungsinnovationsinstitut für AM des Verteidigungsministeriums und als erstes Mitglied des Manufacturing USA-Netzwerks gegründet. Das Unternehmen hat seinen Sitz in Youngstown, Ohio, und wird vom gemeinnützigen National Center for Defense Manufacturing and Machining (NCDMM) verwaltet. . Besuchen Sie americamakes.us, um mehr zu erfahren.