Die University of Sheffield verwendet Feststoffe

26. Oktober 2022

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Forscher der Sheffield Titanium Alloy Research (STAR)-Gruppe, Teil der britischen University of Sheffield, haben mit der ECKART GmbH, Schlüchtern, Deutschland, zusammengearbeitet, um überschüssige Aluminiumlegierungspulver aus der Zerstäubung in zwei Festkörperschritten zur Verwendung in Blechmaterial umzuwandeln Luft- und Raumfahrtanwendungen. Das Projekt kombinierte feldunterstützte Sintertechnologie (FAST) mit Warmwalzen, um überschüssige Aluminiumlegierungspulver aus der Zerstäubung in zwei Festkörperschritten in Blechmaterial umzuwandeln. Eckart stellte das von den Forschern verwendete A20X-Legierungspulver zur Verfügung.

Additive Fertigungstechniken werden im Allgemeinen mit einer geringeren Materialverschwendung im Vergleich zur konventionellen Metallurgie beworben, der Größenbereich der zerstäubten Partikel wird jedoch oft als Problem übersehen. Die Betriebswirtschaft verlangt, dass alternative Prozesse genutzt werden, um diese überschüssigen Pulver in nützliche Produkte umzuwandeln, um sicherzustellen, dass der AM-Markt kosteneffizient ist und Nachhaltigkeitsziele erfüllt. Dieser Schlüsselfaktor bildet die Grundlage dieser Forschung.

Die feldunterstützte Sintertechnologie kann einen alternativen Weg zur Festkörperverarbeitung bieten, um diese überschüssigen Pulver für die anschließende Verarbeitung zu Knüppeln zu konsolidieren. Dies ermöglicht die Herstellung nützlicher Produkte aus diesem Rohstoff und verbessert gleichzeitig die Nachhaltigkeit innerhalb der Lieferkette der additiven Fertigung.

Dieses Projekt geht noch einen Schritt weiter und kombiniert FAST mit Warmwalzen, um überschüssige Aluminiumlegierungspulver aus der Zerstäubung in zwei Festkörperschritten in Blechmaterial umzuwandeln. FAST kann das Pulver effektiv zu vollständig dichten Knüppeln verdichten, die dann zu Blechen warmgewalzt werden.

Durch Zugtests zeigten die Ergebnisse dieses Projekts, dass die Eigenschaften dieses Prozesses mit denen herkömmlicher Materialien vergleichbar waren, die in Luft- und Raumfahrtanwendungen verwendet werden.

Bereits bestehende Forschungsarbeiten, die sich auf FAST von Metallpulvern konzentrierten, waren bei der Entwicklung dieses Projekts hilfreich. Berichten zufolge hat dies ein Abschlussprojekt für Studierende angeregt – entworfen von Dr. Simon Graham, wissenschaftlicher Mitarbeiter MAPP – Future Manufacturing Hub, und geleitet von Alicia Patel, BEng-Studentin für Luft- und Raumfahrttechnik – nach Abschluss dieser frühen Forschungsphase wurde auf dem Projekt aufgebaut eine von Dr. Graham geleitete Anstrengung.

Die Forschung wurde auch durch in Sheffield durchgeführte Arbeiten im Zusammenhang mit der Verarbeitung von Titanpulvern mit Übergröße für die additive Fertigung mit Laserstrahl-Pulverbettfusion (PBF-LB) beeinflusst, bei denen Crossover-Methoden als relevant identifiziert wurden. Bei der Durchsicht der vorhandenen Literatur geht man davon aus, dass nur ein Artikel veröffentlicht wurde, der sich auf warmgewalztes, FAST-produziertes Reinaluminium spezialisiert hat. Zuvor veröffentlichte Untersuchungen zur A20X-Legierung haben nur AM- oder Gussmaterialien berücksichtigt.

Die Forschung soll gezeigt haben, dass FAST Aluminiumlegierungspulver, einschließlich A20X, mit einem großen Partikelgrößenbereich schnell zu vollständig dichten Materialien verfestigen kann. Die resultierenden A20X FAST mit 80 mm Durchmesser wurden ebenfalls erfolgreich von ihrer anfänglichen Dicke von 15 mm auf 2 mm Blech warmgewalzt, obwohl einige spätere Optimierungen erforderlich sind, um Kantenfehler innerhalb des Blechs zu verhindern.

Einige herkömmliche A20X-Gussmaterialien – mit den gleichen Ausgangsabmessungen – wurden ebenfalls unter den gleichen Bedingungen warmgewalzt. Zugversuche zeigten, dass das FAST-Material vor und nach der Wärmebehandlung ähnliche Eigenschaften wie das Gussmaterial aufwies und mit anderen Aluminiumblechen vergleichbar war, die in Luft- und Raumfahrtanwendungen verwendet werden.

Diese Ergebnisse wurden von Dr. Simon Graham auf der World PM2022 in einer Keynote mit dem Titel „Festkörperverarbeitung von überschüssigen Aluminiumlegierungspulvern durch eine Kombination aus feldunterstützter Sintertechnologie und Warmwalzen“ vorgestellt.

Das Ergebnis dieses Projekts hat gezeigt, dass es einen praktikablen Verarbeitungsweg gibt, um überschüssige Legierungspulver in Blechmaterial mit guten mechanischen Eigenschaften umzuwandeln. Obwohl die langfristigen, positiven Auswirkungen zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht quantifiziert werden können, gibt es klare wirtschaftliche Auswirkungen. Diese wirtschaftlichen Vorteile beziehen sich auf neue Einnahmequellen für Zerstäuber sowie eine potenzielle Kostensenkung bei Pulvern für die additive Fertigung.

Die nächsten Schritte umfassen die Durchführung weiterer Walzversuche, um die Verarbeitung zu optimieren und ein hochwertigeres Blechprodukt herzustellen. Diese Bögen können in der Anfangsphase auch erweitert werden, um größere Bögen als Output zu produzieren, was die Möglichkeiten einer Skalierung weiter verdeutlicht. Zur Herstellung endkonturnaher Bauteile könnte auch eine superplastische Umformung des Blechmaterials in Betracht gezogen werden.

www.sheffield.ac.uk

www.eckart-hydraulics.com

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