24.01.2019 - Imperial College of London

Kombination von 3D-Druck und Metallkunde führt zu stärkeren, kristallin inspirierten Materialien

Materialwissenschaftler haben neue künstliche Materialien entwickelt, die unser Wissen über Metalle mit dem 3D-Druck verbinden. Die Ergebnisse könnten den Einsatz von 3D-Drucksachen in allen Bereichen von Bau- und Fahrzeugbau bis hin zu Medizinprodukten beschleunigen. Der 3D-Druck wird häufig zur Herstellung von technischen Bauteilen eingesetzt. Die gedruckten Komponenten enthalten Gitterstrukturen - Materialmuster, die rasterförmig angeordnet sind, mit sich wiederholenden Knoten und Verbindungsstreben, die sie leicht machen.

Wenn jedoch traditionelle Gittertypen versagen und brechen, tun sie dies katastrophal, was ihre Verwendung einschränkt. Forscher vermuten, dass dies daran liegt, dass es nur ein einziges Gittermuster im gesamten Material gibt und dass die Variation der Gitterstrukturen im Inneren die Festigkeit erhöhen könnte.

Inspiriert von Mustern in natürlichen Kristallen haben Forscher des Imperial College London und Kollegen der University of Sheffield nun Merkmale in 3D-gedruckte Metalle eingeführt, die die Strukturen in Kristallen nachahmen, wie Körner. Hauptautor Dr. Minh-Son Pham, vom Imperial's Department of Materials, sagte: "Durch die Nachahmung der Härtungsmechanismen von Kristallen können wir die durch den 3D-Druck erzeugten Gittermaterialien erheblich verstärken."

Sie fanden heraus, dass das neue Material - das sie als "Metakristall" bezeichnen - bei Belastung mit Gewicht viel stärker und schadenstoleranter ist als herkömmliche Gittermaterialien. Sie fanden auch heraus, dass die Stärke der Metakristalle erhöht werden kann, indem man die Größe jedes kornartigen Gitterbereichs innerhalb der Struktur reduziert.

Unvollkommene Perfektion

Derzeit verfügbare 3D-Druckgitter haben ein einzelnes sich wiederholendes Muster, das die Struktur eines metallischen Einkristalls nachahmt: Die Knoten im Gitter entsprechen den Atomen im Einkristall, und die Streben entsprechen den atomaren Bindungen. In jeder dieser Strukturen sind die atomaren Ebenen oder Knoten perfekt ausgerichtet.

In einigen Anwendungen, wie beispielsweise im Hochtemperaturbereich eines Strahltriebwerks, sind Einkristallmaterialien ideal, da sie bei extremen Temperaturen einer Verformung standhalten. Sie sind jedoch möglicherweise nicht in der Lage, mechanischen Belastungen standzuhalten.

Wenn die Struktur unter Druck gesetzt wird und die Kraft ausreicht, um eine dauerhafte Verformung zu bewirken, schert sich das Gitter entlang definierter Ebenen, und ein Riss breitet sich im gesamten Material aus. Ohne diese Scherung zu behindern, bricht das Material katastrophal zusammen.

In den neuen Materialien, die viele Kristallkörner aufweisen, wird jedoch die Ausrichtung der atomaren Ebenen von Körnung zu Körnung geändert. In diesen Materialien, wenn eine Scherkraft in eine Richtung wirkt, verlangsamt oder stoppt ein Riss, wenn er auf einen Kristall trifft, dessen Atome anders ausgerichtet sind als der ursprüngliche Kristall. Darüber hinaus ist es möglich, verschiedene Muster einzuführen, um die Materialien weiter zu verstärken und so langsame Risse zu vermeiden.

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