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EROBERUNG VON KUPFER-NICKEL
Chase Sheeley ist ein Forschungsingenieur für additive Fertigung bei SPEE3D. Er schloss sein Studium der Materialwissenschaft und -technik mit einer Arbeit über additiv gefertigten Edelstahl ab und bringt wertvolle Erfahrungen aus der Luft- und Raumfahrt- sowie der Verteidigungsindustrie in seine Tätigkeit bei SPEE3D ein.
Bei SPEE3D arbeiten wir jeden Tag daran, die Möglichkeiten des Cold Spray Additive Manufacturing (CSAM) zu erweitern.
Und als jemand, der an vorderster Front an der Entwicklung neuer Materialien - genauer gesagt SUBSAFE-Materialien - mitwirkt, kann ich über die Herausforderungen sprechen, denen sich Forschungsingenieure bei der Qualifizierung neuer Metalle und Legierungen für die Produktion gegenübersehen.
Kupfer-Nickel ist ein perfektes Beispiel.
Das Naval Sea Systems Command (NAVSEA) wandte sich an SPEE3D mit einer speziellen Anfrage nach einer Kupfer-Nickel-Legierung. Es handelt sich um ein Material, mit dem sie seit fast 70 Jahren eng zusammenarbeiten, weil es ein perfektes Gleichgewicht zwischen Festigkeit, Duktilität und Korrosionsbeständigkeit für Schiffe und Ausrüstung auf See bietet.
Gleichzeitig haben Kupfer-Nickel-Gussteile jedoch oft eine hohe Ausfallrate und können daher in einer Gießerei nicht ohne extrem lange Vorlaufzeiten hergestellt werden.
Die Verlagerung der Gussproduktion ins eigene Haus könnte der Marine helfen, diese langen Vorlaufzeiten zu vermeiden. Das machte CSAM zu einer idealen Lösung.
Doch die Herstellung der Legierung war keine leichte Aufgabe.
Um zu verstehen, warum das so ist, muss man ein wenig darüber wissen, wie das Kaltgasspritzmittel überhaupt zur Herstellung von Metallteilen verwendet wird.
Bei einem typischen Kaltgasspritzverfahren wird das Ausgangsmaterial in einen SPEE3D-Drucker geladen und mit Überschallgeschwindigkeit auf ein Substrat gespritzt. Das gedruckte Teil muss dann in einem Ofen erhitzt - oder gesintert - werden, um die gewünschte Legierung herzustellen.
In einigen Fällen wird eine heißisostatische Presse (HIP) verwendet, um den Prozess mit Gas unter Druck zu setzen, wobei gleichmäßig eine Kraft von 30.000 psi auf das Teil ausgeübt wird - mehr als der Druck, den man auf dem Grund des tiefsten Meeres erwarten würde.
Auf diese Weise können wir die Poren des erhitzten Metalls schließen und Oxide zertrümmern, die die Duktilität, Leistung und Zuverlässigkeit des Materials gefährden.
Nach der Wärmebehandlung muss das Teil abgekühlt werden. Zwei gängige Methoden sind das langsame Abkühlen im Ofen oder das "Abschrecken" in kaltem Wasser, um das Gefüge schnell zu fixieren.
Doch während die Literatur klar beschreibt, wie man gängige additiv gefertigte Werkstoffe wie Edelstahl druckt, wärmebehandelt und kühlt, gibt es nicht viel über Kupfer-Nickel zu sagen.
Um eine CSAM-Wärmebehandlungsformel dafür zu entwickeln, müssten wir uns auf unbekanntes Terrain begeben.
Unsere erste Herausforderung war das Ausgangsmaterial selbst. Im Gegensatz zu anderen Werkstoffen ist das Kupfer-Nickel-Einsatzmaterial eine Mischung aus reinen Elementen, die durch den Wärmebehandlungsprozess zu einer endgültigen Legierung homogenisiert wird.
Um die richtige Kombination von Elementen zu finden, mussten wir einfach experimentieren - und der Erfolg eines jeden Experiments konnte erst festgestellt werden, nachdem jedes Teil erhitzt und abgekühlt worden war. Das brauchte natürlich Zeit.
Weitere Experimente waren erforderlich, um die Reihenfolge der Vorgänge zu ändern.
Zunächst ließen wir das erhitzte Teil im Ofen langsam abkühlen, was zu großen Aushärtungsausscheidungen im Gefüge führte und das Teil zu spröde machte.
Wir haben dann versucht, das erwärmte Teil abzuschrecken, um den Abkühlungsprozess zu beschleunigen - aber dadurch haben wir verhindert, dass sich die aushärtenden Ausscheidungen im Mikrogefüge bilden.
Dadurch wurde das Teil zu dehnbar.
Indem wir das Kupfer-Nickel-Teil vor der Anwendung einer isostatischen Heißpresse homogenisierten und dann die Abkühlungsgeschwindigkeit moderat regulierten, konnten wir das richtige Gleichgewicht zwischen Festigkeit und Verformbarkeit finden und die gewünschte Mikrostruktur erzeugen.
Aber unsere Arbeit geht weiter.
Wir haben zwar erfolgreich die richtige Reihenfolge für die additive Herstellung von Kupfernickel festgelegt, sind aber noch dabei, den Nachweis der Wiederholbarkeit zu erbringen.
Die Validierung des Materials nach Mil-Spec-Standards, der Nachweis, dass es alle Validierungstests bestehen kann, die Feststellung einer gleichbleibenden Qualität über Dutzende von Malen hintereinander - das ist ein mühsamer Prozess, der zwischen sechs und 15 Monaten dauern kann.
Das heißt, es gibt noch viel zu tun, um den Prozess zu optimieren und ein Materialpulver zu liefern, das sicher und zuverlässig ein traditionell hergestelltes Teil ersetzen kann, das in einer Vielzahl kritischer Anwendungen eingesetzt wird.
Obwohl Kupfernickel unser Hauptaugenmerk ist, erforschen wir ständig neue Horizonte in der Materialwissenschaft, um unsere Fähigkeiten zu erweitern und den vielfältigen Anforderungen der Industrie gerecht zu werden.