Wissenschaftler am Oak Ridge National Laboratory (ORNL) haben eine 3D-Druckplattform namens OpeN-AM entwickelt, die Neutronen verwendet, um Spannungen zu messen und die atomare Bewegung in Materialien während des additiven Herstellungsprozesses zu verfolgen. Diese Technologie ermöglicht bisher ungeahnte Einblicke in das Materialverhalten und ermöglicht es Herstellern, Eigenspannungen in Komponenten zu optimieren, um deren Festigkeit zu erhöhen und leichtere und komplexere Formen herzustellen. Die Wissenschaftler verwendeten für ihr Experiment eine kaltumgeformte Stahlsorte und beobachteten, wie sich die Atome während des Herstellungsprozesses neu anordnen und das Material transformiert. Residuale Spannungen stellen eine große Herausforderung in der Herstellung dar, da sie zu Verformungen oder vorzeitigem Versagen des Materials führen können. Die Forschungsarbeit wurde mit dem R&D 100 Award 2023 ausgezeichnet, und die Autoren hoffen, dass Wissenschaftler aus der ganzen Welt nach ORNL kommen werden, um ähnliche Experimente an Metallen durchzuführen, die sie im Herstellungsprozess verwenden möchten.

Einführung

Die Forscher des Oak Ridge National Laboratory (ORNL) haben mit ihrer innovativen 3D-Druckplattform namens OpeN-AM einen bahnbrechenden Fortschritt in der additiven Fertigung erzielt. Diese Plattform verwendet Neutronen, um Dehnungen zu messen und die atomare Bewegung in Materialien zu verfolgen, während sie während des additiven Fertigungsprozesses Belastungen ausgesetzt sind. Diese Neutronenmessungen liefern noch nie dagewesene Einblicke in das Materialverhalten und bieten Herstellern die Möglichkeit, Eigenspannungen in Bauteilen maßgeschneidert anzupassen und letztendlich deren Festigkeit zu verbessern. Darüber hinaus ermöglicht diese Technologie die Herstellung von leichteren und komplexeren Formen und eröffnet neue Möglichkeiten auf dem Gebiet der Fertigung.

Das Konzept von OpeN-AM und wie es funktioniert

Die von Wissenschaftlern am ORNL entwickelte OpeN-AM 3D-Druckplattform verwendet Neutronen, um Dehnungen zu messen und atomare Bewegungen während des additiven Fertigungsprozesses zu verfolgen. Durch die Verwendung von Neutronen können Wissenschaftler beobachten, wie sich Atome neu anordnen und wie sich das Material auf einer bisher nicht gekannten Ebene transformiert. Neutronen haben einzigartige Eigenschaften, die sie zu einem idealen Werkzeug für diesen Zweck machen, da sie tiefer in Materialien eindringen können als andere Techniken und so eine umfassende Analyse des gesamten gedruckten Objekts ermöglichen. Die OpeN-AM-Plattform integriert Neutronenbildgebung und Beugungsmethoden, um Echtzeitinformationen über innere Spannungen und das Materialverhalten während des Fertigungsprozesses bereitzustellen.

Enthüllung von Einblicken in das Materialverhalten

Durch den Einsatz von OpeN-AM haben Wissenschaftler am ORNL wertvolle Einblicke in das Materialverhalten während des additiven Fertigungsprozesses gewonnen. In einem spezifischen Experiment arbeiteten die Forscher mit niedrigtemperaturtransformiertem (LTT) Stahl, einem häufig verwendeten Material in der Fertigung. Durch die Beobachtung der atomaren Bewegung und der Materialtransformation während der Herstellung konnten die Wissenschaftler verstehen, wie sich Atome neu anordnen und wie das Material auf Belastungen reagiert. Dieses Wissen ist für Hersteller von entscheidender Bedeutung, da es ihnen ermöglicht, die Fertigungsparameter zu optimieren, um Eigenspannungen zu reduzieren, was zu robusteren und zuverlässigeren Bauteilen führt.

Die Auswirkungen auf die Fertigung

Eigenspannungen sind eine bedeutende Herausforderung in Fertigungsprozessen, da sie Verformungen oder vorzeitiges Versagen von Bauteilen verursachen können. Durch den Einsatz der OpeN-AM-Plattform können Hersteller ein tiefes Verständnis für die Eigenspannungsverteilung innerhalb eines gedruckten Objekts gewinnen und fundierte Konstruktionsentscheidungen treffen, um diese Probleme zu mildern. Diese Technologie bietet das Potenzial, Komponenten mit verbesserten mechanischen Eigenschaften, erhöhter Zuverlässigkeit und verlängerter Lebensdauer herzustellen. Darüber hinaus eröffnet die Möglichkeit, Eigenspannungen anzupassen, neue Chancen zur Herstellung leichterer und komplexerer Formen, die zuvor unerreichbar waren.

Anerkennung und zukünftige Entwicklungen

Die von den Wissenschaftlern am ORNL mit Hilfe der OpeN-AM-Plattform durchgeführte Forschung wurde mit dem renommierten R&D 100 Award 2023 ausgezeichnet, was ihre Bedeutung und ihr Potenzial für die Fertigungsindustrie unterstreicht. Die Autoren der Studie hoffen, dass ihre Arbeit Wissenschaftler aus der ganzen Welt inspirieren wird, zusammenzuarbeiten und ähnliche Experimente mit verschiedenen Metallen und Materialien durchzuführen. Durch die Erweiterung des Forschungsumfangs können weitere Erkenntnisse gewonnen werden, was zu breiteren Anwendungen der OpeN-AM-Plattform und weiteren Fortschritten in der additiven Fertigung führt.

Schlussfolgerung

Die Entwicklung der ORNL OpeN-AM 3D-Druckplattform markiert einen entscheidenden Durchbruch im Bereich der additiven Fertigung. Durch die Nutzung der Kraft der Neutronen bietet diese Technologie beispiellose Einblicke in das Materialverhalten während des Fertigungsprozesses. Die Möglichkeit, Dehnungen zu messen und atomare Bewegungen zu verfolgen, ermöglicht es Herstellern, Eigenspannungen in Bauteilen anzupassen und so stärkere und zuverlässigere Produkte herzustellen. Darüber hinaus ermöglicht es die OpeN-AM-Plattform die Herstellung leichterer und komplexerer Formen und eröffnet neue Möglichkeiten für Design und Fertigung. Mit ihrer Anerkennung und ihrem zukünftigen Potenzial steht diese bahnbrechende Technologie vor einer Revolutionierung der additiven Fertigung und wird die Zukunft der Branche prägen.

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