Autor: Felix Lee | CEO bei Forgecise
Veröffentlicht: 28. Juli 2026
Thema: Spezielle Legierungskonstruktion für die laserbasierte additive Fertigung (LAM)
Table of Contents
Wichtigste Erkenntnis in Kürze:
Standardmetalle (wie Aluminium 7075 oder die Superlegierung IN738) sind für langsame Abkühlung (10⁻² bis 10⁰ K/s) ausgelegt. Der Laser-3D-Druck kühlt Metalle extrem schnell ab (10⁴ bis 10⁷ K/s). Die Kombination dieser Metalle mit dem Laserdruckverfahren führt zu Rissen, Schwachstellen und ungleichmäßiger Festigkeit. Um dies zu beheben, müssen neue Metalle speziell für Laserdruckverfahren entwickelt werden.
1. Das Problem bei der Verwendung alter Metalle im 3D-Druck
Die laserbasierte additive Fertigung (LAM) – einschließlich Laser-Pulverbettfusion (LPBF) und gerichteter Energiedeposition (DED) – ermöglicht den schichtweisen Aufbau komplexer Metallteile. Ein Laser schmilzt Metallpulver, um individuelle Formen zu erzeugen, die in herkömmlichen Fabriken nur schwer realisierbar sind.
Viele Ingenieure begehen jedoch einen grundlegenden Fehler: Sie versuchen, in 3D-Druckern handelsübliche Metalle zu verwenden.
Standard Metals (Slow Cooling) ──> Slow Solidification ($10^{-2} \text{ to } 10^0 \text{ K/s}$) ──> Even Structure
│
[ PROCESS MISMATCH ]
▼
Laser 3D Printing (Fast Cooling) ──> Extreme Fast Cooling ($10^4 \text{ to } 10^7 \text{ K/s}$) ──> Cracks & Weak Spots
Die traditionelle Metallurgie ist wie langsames Garen. Metalle, die zum Schmieden oder Gießen hergestellt werden, kühlen langsam ab. Durch diese langsame Abkühlung vermischen sich die Elemente gleichmäßig. Im Gegensatz dazu wirkt ein winziges Laserbad in einem 3D-Drucker wie … Kurzbraten. Es erzeugt superschnelle Abkühlungsraten ($10^4 \text{ bis } 10^7 \text{ K/s}$) und abrupte Temperaturänderungen ($10^4 \text{ bis } 10^6 \text{ K/m}$).
Verwendet man Standardmetalle im 3D-Druck, verzieht sich das Bauteil unter Belastung oft, reißt oder bricht. Wir müssen aufhören, alte Metalle nur notdürftig zu reparieren, und stattdessen maßgeschneiderte Legierungen für den Laserdruck entwickeln.
2. Warum alte Metalle unter Laserhitze versagen
Drei wesentliche physikalische Faktoren führen zum Versagen von Standardmetallen beim Laserdruck:
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│ LAM Melt Pool Physics │
│ Cool: 10⁴-10⁷ K/s | Grad: 10⁴-10⁶ K/m │
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│ Solidification │ │ Solute │ │ Uncontrolled │
│ Range Traps │ │ Segregation │ │ Phase Cycling │
│ (Wide ΔT_s) │ │ (Trapped Solute) │ │ (Heat Traps) │
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│ │ │
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Solidification Cracking Laves Phase / Low-Melting Strain-Age Cracking /
(Liquid Tearing) Eutectic Micro-Cracks Precipitate Stress
2.1 Problem Nr. 1: Große Gefriertemperaturbereiche
Der Erstarrungsbereich einer Legierung ($\Delta T_s = T_{\text{liquidus}} – T_{\text{solidus}}$) gibt an, wie lange sie beim Abkühlen im gemischten flüssig-festen Zustand verbleibt.
- AlCuMg Beispiel: Diese Aluminiumlegierung erstarrt über einen weiten Temperaturbereich (534 °C bis 642 °C). Beim traditionellen Gießen füllt das flüssige Metall beim langsamen Abkühlen die Zwischenräume. Beim LPBF-Druck wachsen lange, säulenförmige Körner schnell entlang der vertikalen Bauebene. Beim Abkühlen und Schrumpfen des Metalls zieht die Hitzespannung an dünnen Flüssigkeitseinschlüssen zwischen den Körnern und reißt das Metall auf.
- Warum 7xxx- und 6xxx-Aluminiumlegierungen versagen: Gängige hochfeste Legierungen (wie 7075, 7050, 6063 und 6061) reißen beim LPBF-Druck, weil ihre breiten Erstarrungsfenster die Flüssigkeitsfilme zu lange der Belastung aussetzen.
- Risse in Superlegierungen: Hochfeste Nickel-Superlegierungen (wie IN738LC) weisen einen hohen Anteil an Aluminium und Titan auf (Al + Ti > 6 Gew.-%). Dieser große Erstarrungsspalt führt zu niedrigschmelzenden Flüssigkeitseinschlüssen, die bei schneller Abkühlung reißen.
2.2 Problem Nr. 2: Chemische Trennung
Beim Laserdruck wird Metall so schnell abgekühlt, dass die Atome eingeschlossen werden, bevor sie sich gleichmäßig verteilen können:
- Gitterverzerrung: Überfüllte Feststoffmischungen führen zu hohen inneren Spannungen, wodurch das Metall spröde wird.
- Schwachstellen mit niedrigem Schmelzpunkt: Eingeschlossene Elemente sammeln sich an den Korngrenzen und bilden niedrigschmelzende Gemische, die wieder aufschmelzen, wenn der Laser erneut in der Nähe vorbeiführt.
- Feuerfeste Clusterbildung in Nickelmetallen: Schwere Elemente wie Niob und Molybdän lagern sich in den Zwischenräumen der Körner ab. Sie bilden spröde Laves-Phasen und harte Carbide, die den Fluss des flüssigen Metalls behindern und zur Entstehung kleiner Mikrorisse führen.
2.3 Problem Nr. 3: Unbeabsichtigte Temperaturzyklen
Jedes Mal, wenn der Laser eine neue Schicht aufträgt, erhitzt er die darunterliegenden Schichten erneut. Das Metall durchläuft also immer wieder einen schnellen Erhitzungs- und Abkühlungszyklus.
- Ungleichmäßige Aushärtung: Bei Legierungen, die durch winzige Partikel gehärtet werden (wie Nickel-Superlegierungen und Al-Zn-Mg-Cu-Legierungen), führt die wiederholte Wärmebehandlung dazu, dass einige Bereiche zu stark aushärten, während benachbarte Bereiche unterausgehärtet bleiben.
- Spannungsrissbildung: Durch hunderte von Wärmebehandlungszyklen bauen sich innere Spannungen auf. Bei der späteren Wärmebehandlung des Bauteils bilden sich unter Spannung schnell harte γ-Partikel, die die Korngrenzen aufreißen.
- Geringe Zähigkeit: Hohe Gitterverzerrungen und verbleibende Wärmespannungen führen zu einem häufigen Defekt: geringe Schlagfestigkeit und schlechte Dauerfestigkeit.
3. Die 3 Arten von Rissen in 3D-gedruckten Metallen
Um rissfreie Teile herzustellen, müssen wir wissen, wie verschiedene Risse entstehen:
| Rissart | Hauptursache | Wie es geschieht | Häufig betroffene Metalle |
|---|---|---|---|
| Erstarrungsrisse | Breites $\Delta T_s$ + Hoher Stress | Während der Endabkühlung reißen die Flüssigkeitsfilme zwischen den Körnern, weil keine Flüssigkeit nachfließen kann, um den Spalt zu füllen. | Hochfeste 7xxx/2xxx-Aluminiumlegierungen, IN738LC, CM247LC |
| Liquation Cracking | Wiederaufschmelzen schwacher Grenzen | Bei den nächsten Laserdurchgängen werden ältere Schichten erneut erhitzt; Stellen mit niedrigem Schmelzpunkt schmelzen wieder; die entstehende Spannung reißt sie auseinander. | Gegossene Aluminiumlegierungen unter hohen Temperaturzyklen, Nickel-Superlegierungen |
| Spannungs-Alters-Rissbildung | Aufgestauter Stress + Schnelle Härtephasen | Die Nachbehandlungsschritte führen zu einem schnellen Wachstum der γ-Phase, während die innere Spannung noch hoch ist, wodurch die Struktur bricht. | Nickel-Superlegierungen mit hohem Al+Ti-Gehalt (Al+Ti > 6 Gew.-%) |
[ 3 Core Printing Crack Modes ]
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1. SOLIDIFICATION CRACKING 2. LIQUATION CRACKING 3. STRAIN-AGE CRACKING
• Final cooling stage • Heat-Affected Zone • Happens in post-heating
• Liquid film tears under • Re-melts weak grain • High internal stress +
high heat stress boundaries during passes rapid particle growth
4. Warum Schweißqualität nicht gleich Bedruckbarkeit ist
Viele Ingenieure glauben, dass Ein gutes Schweißmetall eignet sich automatisch auch gut für den 3D-Druck.. Das ist aus drei Gründen falsch:
- Anzahl und Größe der Pässe: Beim Schweißen werden zwei Teile üblicherweise in ein oder zwei Arbeitsgängen verbunden. Der 3D-Druck kombiniert Hunderttausende mikroskopisch kleiner Schweißvorgänge über viele Stunden hinweg.
- Stressakkumulation: Beim Schweißen bleiben die Eigenspannungen lokal begrenzt. Beim 3D-Druck hingegen bauen sich die thermischen Spannungen über die gesamte Höhe des Bauteils auf.
- Qualitätsauswirkungen: Eine fehlerhafte Stelle in einer Schweißverbindung beeinträchtigt nur eine kleine Naht. Beim 3D-Druck hingegen… Das bedruckte Metall ist das gesamte Bauteil.. Kleine Mängel schwächen das gesamte Produkt.
5. Wie sich das Design von Legierungen im Laufe der Zeit verändert hat
Die Ingenieure haben den 3D-Druck von Metallen in vier Phasen entwickelt:
Gen 1: Standard Metals (Old Forging/Casting Alloys: 7075, IN738)
└──> Gen 2: "Patching" (Adding Powders & Ceramics: TiB₂, TiC, Zr/Si)
└──> Gen 3: Targeted Alloys (SCI/SAC Math Rules, Liquid Healing)
└──> Gen 4: AI & Data Discovery (Machine Learning + CALPHAD Software)
5.1 Zweite Generation: Ausbessern alter Metalle
Gen-2-Fixes versuchen, vorhandene Metalle durch die Zugabe geringer Spurenbestandteile zu reparieren:
- Impfstoffe: Durch die Zugabe von Titan und Bor zu Aluminium entstehen Al₃Ti- und TiB₂-Partikel. Diese Partikel fördern das Wachstum kleiner, runder Körner anstelle langer, schwacher Säulenkörner. Beim DED-Druck von Al7075 verhindert die Zugabe von Zirkonium und Silizium das Auftreten großer Risse.
- Keramische Partikelverankerung: Durch die Zugabe winziger Keramikpartikel ($TiC$, $TiB_2$, $Y_2O_3$) wird das Kornwachstum gehemmt und die Struktur fein gehalten.
- Nachteile: Keramische Zusätze können verklumpen, schlecht reagieren und das Metall spröde machen, wenn zu viel hinzugefügt wird.
5.2 Dritte Generation: Gezielte 3D-Drucklegierungen
Die dritte Generation (Gen-3) verabschiedet sich von alten Formeln und nutzt die Physik der schnellen Abkühlung, um neue Legierungen von Grund auf zu entwickeln:
- Verengung der Gefrierbereiche: Durch die Änderung der Elementverhältnisse verringert sich die $\Delta T_s$-Lücke. Beispielsweise erzeugt die Zugabe von Silizium zu Al-Cu-Mg eine $Al-Si$-Mischung (Schmelzpunkt 577^\circ\text{C}$), die zusätzliches flüssiges Material liefert, um Lücken zu füllen. Dadurch wird die Rissbildung in AlSi10Mg verhindert.
- Knackrezepte: Ingenieure verwenden die Erstarrungsrissindex (SCI) Und Spannungs-Alters-Rissbildung (SAC) Regeln zur Berechnung des Rissrisikos vor der Pulverherstellung. Wissenschaftler nutzten diese Regeln, um die rissanfällige Superlegierung TMSL-1 in TMSL-2, die eine Zugfestigkeit von 1195 MPa Und 35,1 % Dehnung ohne Risse.
- Selbstheilende Flüssigkeiten: Durch die Entwicklung von Legierungen, die beim Erstarren eine geringe Menge Flüssigkeit speichern, können kleine Schrumpfungsrisse automatisch mit Flüssigkeit aufgefüllt werden. In Al-Ce-Legierungen verhindern Mischungen aus α-Al und Al₃CeCu das Aufreißen.
- Nichtgleichgewichtsmodelle: Moderne mathematische Werkzeuge berechnen, wie sich Elemente bei schnellen Abkühlungsgeschwindigkeiten teilen ($k_v$), anstatt sich auf statische Phasendiagramme zu verlassen.
| Generation | Hauptzufahrt | Schlüsselmethoden | Häufige Beispiele |
|---|---|---|---|
| Generation 1 | Direkte Kreditaufnahme | Verwendet Standardgleichgewichtsformeln | Standard 7075, IN738LC (hohe Rissraten) |
| Generation 2 | Patching | Impfstoffe, Keramikstifte | Al7075 + Zr/Si, TiC-legiertes Aluminium |
| Generation 3 | Gezieltes Design | SCI/SAC-Mathematikregeln, Flüssigkeitsheilung | TMSL-2 Superlegierung, Ti-modifiziertes AlCuMg |
| 4. Generation | KI-Entdeckung | Maschinelles Lernen, CALPHAD-Screening | TC200 Hochtemperatur-Aluminium, schlüssellochsicheres β-Titan |
5.3 Vierte Generation: KI und datengetriebene Entdeckung
Gen-4 nutzt KI, maschinelles Lernen und thermodynamische Software, um Millionen potenzieller Metallmischungen zu scannen:
- Bilanz mehrerer Objekte: KI-Modelle analysieren Datensätze hinsichtlich Zusammensetzung, Prozessparametern, Struktur und Festigkeit, um gleichzeitig Leitfähigkeit, Duktilität und Rissbeständigkeit zu optimieren.
- Schnelltest: Durch die Kombination von CALPHAD-Berechnungen mit automatisierter Pulvermischung verkürzt sich die Metallentwicklungszeit von Jahren auf Monate.
6. Anwendungen in der Praxis & wissenschaftliche Ergebnisse
6.1 Branchenfallstudie: Sichuan Zenglong New Material Technology Co., Ltd.
Sichuan Zenglong New Material Technology Co., Ltd. wurde im September 2021 in der Chuan-Yu Gaozhu New Area gegründet. Das Unternehmen betreibt eine 5.000 Quadratmeter große Forschungs- und Entwicklungseinrichtung mit einem 25-köpfigen Forschungsteam, das 20 Patente hält.
[ Sichuan Zenglong "366" Framework ]
├── 3 Metal Base Systems (Iron-based, Aluminum-based, Nickel/Titanium/Cobalt/Copper-based)
├── 6 Key Product Lines (Includes TC200, A100, 18Ni300, 4J32, 4J36)
└── 6 Industry Focus Sectors (Military, Petrochemical, 3C, Aviation, Space, Auto/Motorcycle)
In Juli 2026Nach Expertenbegutachtungen und Werksbewertungen wurde Sichuan Zenglong zum Guangan AI Computation New Material Additive Manufacturing Pilot Platform, das als regionales Zentrum für 3D-Druckmaterialien dient.
Bahnbrechendes Gehäuse – Hochtemperatur-Aluminiumlegierung TC200
Standardmäßiges LPBF-Aluminium (AlSi10Mg) lässt sich gut drucken, weist jedoch eine geringe Wärmeleitfähigkeit (ca. 110–130 W/(m·K)) und eine mäßige Zugfestigkeit (350–450 MPa) auf. Der Druck von reinem Aluminium zur Erzielung einer hohen Wärmeleitfähigkeit scheitert, da es Laserlicht reflektiert und leicht reißt.
Nutzung einer KI-Plattform, die kombiniert Hochdurchsatz-CALPHAD Und multikriterielle genetische AlgorithmenSichuan Zenglong schuf TC200:
- Zusammensetzung: Formulierung aus nahezu reinem Aluminium, keine Si-, Mg-, Zn- oder C-ElementeDie
- Leistung: Gibt ein 50 % bis 64 % Steigerung der Wärmeleitfähigkeit über AlSi10Mg, während gleichzeitig ein völlig rissfreies Drucken erfolgt.
- Verwendung: Erfolgreich in große militärische Wärmeschutzgehäuse und Wärmeregler gedruckt, die die Kundentests bestanden haben.
| Eigenschaftskennzahl | Standard AlSi10Mg | Kundenspezifische TC200-Legierung |
|---|---|---|
| Hauptzusatzstoffe | Si (9-11%), Mg | Nahezu reines Al (Null Si/Mg/Zn/C) |
| Wärmeleitfähigkeit | 110 – 130 W/(m·K) | 180 – 210 W/(m·K) (+50% bis +64%) |
| Rissanfälligkeit | Niedrig (nahezu eutektisch) | Zero Cracking (KI-Lösungsmitteloptimierung) |
| Primäre Anwendung | Allgemeine Strukturteile | Gehäuse für militärische Elektronik |
Weitere industrielle Errungenschaften:
- Hochfeste Stähle: Optimierte Prozesseinstellungen für A100 Und 18Ni300 Ultrahochfeste Maraging-Stähle, die hohe mechanische Festigkeitswerte erreichen.
- Legierungen mit niedriger Wärmeausdehnung: Fixe thermische Ausdehnungsverschiebungen in Invar-Legierungen (4J32 Und 4J36) durch die direkte Verknüpfung von Metallverhältnissen mit Expansionskoeffizienten für eine stabile Produktion.
- „366“ F&E-Rahmen: Umfasst 3 Hauptmetallbasen, 6 wichtige Produktlinien und 6 Kernsektoren (Militär, Petrochemie, 3C-Elektronik, Luftfahrt, Raumfahrt, Automobil/Motorrad) und produziert über 60 sphärische Pulverformeln.
6.2 Fallstudie Forschung: CAS-Team (Prof. Linzhi Wang)
Das Team von Prof. Linzhi Wang Am Chongqing Green and Intelligent Technology Institute der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS), wo Prof. Wang als stellvertretender Direktor des Chongqing 3D Printing Engineering Technology Center und zertifizierter Senior AI Trainer tätig ist, wird KI eingesetzt, um Pulver zu entwerfen, Prozesse zu optimieren und Teile zu reparieren.
[ CAS Prof. Linzhi Wang's Team ]
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Spherical Rare-Earth Powders TRIP Effect Microstructure Control Dual-Wavelength Laser Repair
• Uniform surface nano-ceramics • 30CrMnSiNi2A Steel LPBF tuning • DD5 Single Crystal LPBF
• Better laser energy absorption • Combined strength and stretch • Heavy Rails DED (HAZ < 2mm)
• Higher heat conductivity boosts • Shear strength > 300 MPa
- Maßgeschneiderte Kompositpulver: Es wurden sphärische Seltenerd-Nanokompositpulver mit keramischen Oberflächenpartikeln hergestellt. Diese Anordnung verbessert die Laserabsorption und den Wärmetransfer im Schmelzbad.
- TRIP-Effekt-Tuning: Entkoppelte Prozess-Mikrostruktur-Verbindungen beim LPBF-Druck von 30CrMnSiNi2A Stahl, bei dem die transformationsinduzierte Plastizität (TRIP) genutzt wird, um gleichzeitig die Festigkeit und die Dehnfähigkeit zu steigern.
- Reparaturen mit Zweiwellenlängenlasern:
- Turbinenschaufeln: Verwendetes Koaxialkabel Reparatur von Pulverbetten mit Zweiwellenlängenlaser auf DD5-Einkristall-Turbinenschaufeln.
- Schwere Eisenbahngleise: Zweiwellenlängen-DED-Reparaturverfahren wurden an schweren Eisenbahnschienen angewendet, wodurch die Wärmeeinflusszone (WEZ) verkleinert wurde. unter 2 mm und die Rissbildungsrisiken um das Zehnfache zu senken.
- Hochdruckventile: Durch Laserauftragschweißen wurden die Dichtflächen von Hochdruck-Ventilverteilern erneuert und Haftscherfestigkeiten von über 100 % erreicht. 300 MPaDie
- Standards & Auszeichnungen: Er leitete die Entwicklung eines Pulverprüfstandards, war Mitautor von zwei petrochemischen 3D-Druckstandards und erhielt eine MIIT-Zulassung für die Reparatur von Turbinenschaufeln.
7. Beispiele nach Metallkategorie
7.1 Aluminiumlegierungen
- Ausgangswert: AlSi10Mg lässt sich aufgrund seines nahezu eutektischen Siliziumnetzwerks leicht bedrucken, die Zugfestigkeit erreicht jedoch maximal etwa 350–450 MPa.
- Hochleistungsfähige kundenspezifische Systeme:
- Al-Mg-Sc-Zr-Legierungen: Bei der Lasererhitzung bilden sich winzige $Al_3(Sc, Zr)$-Partikel, wodurch ein feines Korn und Zugfestigkeiten über 550 MPa erreicht werden.
- Ti-modifiziertes Al-Cu-Mg: Fügt $Al_3Ti$-Partikel hinzu und passt die Elementverhältnisse an, um Heißrisse vollständig zu verhindern.
7.2 Nickelbasierte Superlegierungen
- Ausgangswert: Ältere Superlegierungen (IN738LC, CM247LC) reißen beim Drucken aufgrund des hohen Al+Ti-Gehalts.
- Kundenspezifische Lösung: Der Legierungsdesign (ABD) Das Verfahren gleicht die Al-, Ti-, Co-, Ta- und W-Werte wieder aus, um ABD-900 Und ABD-850AM. Diese speziell angefertigten Zusammensetzungen begrenzen die Elementtrennung und verringern die Phasenspannung während der Abkühlung, wodurch große, rissfreie Druckfenster entstehen.
7.3 Titanlegierungen
- Ausgangswert: Ti-6Al-4V findet breite Anwendung, jedoch führt das Gießverfahren zur Bildung grober, säulenförmiger Körner und ungleichmäßiger Strukturen.
- Kundenspezifische Lösung: ML-entworfenes $\beta$-Titanlegierungen Durch die Zugabe von gelösten Elementen werden abgerundete Kornstrukturen erzeugt, die besser zur Steifigkeit menschlicher Knochen passen als kommerzielles Ti-6Al-4V, während gleichzeitig das Risiko von Schlüssellochporen reduziert wird.
8. Zusammenfassung & Ausblick
[ Complete Co-Design Framework ]
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│ AI-Driven Solute Design (Gen 4) │
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┌──────────────────────────────────────────────┐
│ Powder Synthesis & Surface Setup │
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┌──────────────────────────────────────────────┐
│ Multi-Pass Heat & Process Tuning │
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┌──────────────────────────────────────────────┐
│ Final Part Integrity & Uniform Strength │
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Hauptpunkte
- Standardmetalle funktionieren nicht: Metalle, die für das langsame Gießen hergestellt werden, können Abkühlgeschwindigkeiten von $10^4\text{–}10^7 \text{ K/s}$ nicht ohne Fehlbildungen vertragen.
- Schweißbarkeit ist nicht gleich Bedruckbarkeit: Die Regeln für das Einpassschweißen eignen sich nicht zur Vorhersage der Ergebnisse des Mehrpass-3D-Drucks.
- Der Designwandel: Die Entwicklung von Legierungen schreitet von der Generation 1 mit ihrem „Ausleihen“ und der Generation 2 mit ihrem „Flicken“ zu der Generation 3 mit ihren „gezielten Rezepten“ und der Generation 4 mit ihrer „KI-Entdeckung“ voran.
- Crack Control Rules: Werkzeuge wie die SCI- und SAC-Formeln helfen uns, rissfreie Legierungen herzustellen.
- Ergebnisse aus der Praxis: Industrielle Teams wie Sichuan Zenglong und Forscher wie das Team von Prof. Linzhi Wang an der Chinesischen Akademie der Wissenschaften beweisen, dass die Kombination von KI, CALPHAD und Prozessoptimierung zu besseren Metallteilen führt.
Was kommt als Nächstes?
- Optimierung der gesamten Kette: Zukünftige Arbeiten an Legierungen werden Pulverphysik, Laserbadverhalten, Wärmezyklen und Nachwärmeschritte in einem Kreislauf vereinen.
- Computersimulationen: Die Software bildet den gesamten Prozesspfad ab: $\text{Prozesseinstellungen} \rightarrow \text{Wärmegeschichte} \rightarrow \text{Mikrostruktur} \rightarrow \text{Bauteilfestigkeit}$.
- Automatisierte KI-Labore: Selbstfahrende Labore werden Metallformeln automatisch herstellen, drucken, testen und auswerten, wodurch sich die Entwicklungszeiten von Jahren auf Tage verkürzen.
- Mehrmaterialdruck: Zukünftige Konstruktionen werden unterschiedliche Metallzusammensetzungen in einem einzigen gedruckten Bauteil kombinieren.
9. Häufig gestellte Fragen (FAQ)
Frage 1: Warum reißen gängige hochfeste Aluminiumlegierungen (wie 7075) beim LPBF-3D-Druck?
A: Standardmäßiges 7075-Aluminium weist einen großen Erstarrungsbereich auf, der für langsames Schmieden ausgelegt ist. Beim LPBF-Druckverfahren führen die schnelle Abkühlung (10⁴–10⁷ K/s) und die abrupten Temperaturänderungen zu dünnen Flüssigkeitsfilmen zwischen den wachsenden Körnern. Beim Abkühlen und Schrumpfen des Metalls reißt die entstehende Wärmespannung diese ungestützten Flüssigkeitsfilme auseinander und verursacht Heißrisse.
Frage 2: Worin besteht der Hauptunterschied zwischen Schweißbarkeit und Bedruckbarkeit?
A: Die Schweißbarkeit misst, wie gut ein Metall einem einzelnen Wärmedurchgang in einem kleinen Bereich standhält. Die Bedruckbarkeit misst, wie gut ein Metall Hunderttausende überlappender Wärmedurchgänge übersteht, bei denen sich Spannungen über das gesamte Volumen des fertigen Bauteils aufbauen.
Frage 3: Wie hilft KI bei der Entwicklung kundenspezifischer 3D-Drucklegierungen?
A: KI-Tools kombinieren thermodynamische Datenbanken, Berechnungen zur schnellen Abkühlung und auf Testdaten trainierte Modelle des maschinellen Lernens. Sie analysieren Millionen von Metallmischungen, um Zusammensetzungen mit geringen Erstarrungsspalten, guter Fließfähigkeit, geringer Elementtrennung und hoher Festigkeit zu finden, ohne dass monatelange Schmelzversuche nach dem Prinzip von Versuch und Irrtum erforderlich sind.
Referenzen
- Song, B., Zhang, J., Zhang, Y. et al. Forschungsfortschritte im Materialdesign für die additive Fertigung von Metallen mittels Laser.. Acta Metallurgica Sinica, 2023, 59(1): 1-15.
- Liu, Z., et al. Legierungsdesign für die additive Fertigung mittels Laser-Pulverbettfusion: eine kritische Übersicht. Internationale Zeitschrift für extreme Fertigung, 2024, 6(2): 29-63.
- Liu, T., Tan, C., et al. Legierungsdesignparadigmen in der additiven Fertigung: eine neue Ära der Materialinnovation. Internationale Zeitschrift für extreme Fertigung, 2026, 8(3).
- Entwicklung einer heißrissfreien Nickelbasis-Superlegierung für das Laser-Pulverbettschmelzen durch Zusammensetzungsoptimierung. Zeitschrift für Materialforschung und -technologie, 2025.
- Ein quantitatives Modell zur Bestimmung des Ti-Gehalts in rissfreier AlCuMg-Legierung beim Laser-Pulverbett-Schmelzen. Zeitschrift für Fertigungsprozesse, 2024.
- Fortschritte beim Rissbildungsmechanismus und der rissbeständigen Konstruktion von γ-phasenverstärkten Nickelbasis-Superlegierungen durch selektives Laserschmelzen. Acta Metallurgica Sinica, 2023, 59(1).
- Sichuan Zenglong New Material Technology Co., Ltd. Technischer Bericht zur Pilotplattform für additive Fertigung mit KI-Berechnungen für neue Materialien im Bereich der additiven Fertigung, 2026.
- Sichuan Zenglong New Material Technology Co., Ltd. Spezifikation für hochwärmeleitfähige Aluminiumlegierung TC200, 2025.
- Institut für Grüne und Intelligente Technologie Chongqing, Chinesische Akademie der Wissenschaften (Team von Prof. Linzhi Wang). Reparatur von Turbinenschaufeln aus einkristalliner Superlegierung mittels koaxialem Zweiwellenlängen-Laserpulverbettverfahren.. Zeitschrift für Legierungen und Verbindungen, 2025.
- Institut für Grüne und Intelligente Technologie Chongqing, Chinesische Akademie der Wissenschaften (Team von Prof. Linzhi Wang). Prozessparameterkontrolle des LPBF-Verfahrens zur Beeinflussung des TRIP-Effekts in 30CrMnSiNi2A-Stahl. Internationale Zeitschrift für Eisen- und Stahlforschung, 2026.