Multi-material powder feeding through a dual-channel coaxial nozzle for laser metal deposition: Numerical simulation and experimental study

Stellen Sie sich eine Welt vor, in der eine einzige Maschine ein Bauteil fertigen kann, das außen hart und verschleißfest, innen jedoch zäh und flexibel ist – und das alles in einem einzigen, kontinuierlichen Prozess. Dies ist das Versprechen einer Technologie namens Laser-Metall-Deposition. Bei diesem Verfahren schmilzt ein Hochleistungslaser Metallpulver auf, während es in ein winziges Schmelzbad geblasen wird, wodurch eine Komponente Schicht für Schicht direkt aus einem digitalen Design aufgebaut wird. Jahrelang haben Ingenieure diese Methode genutzt, um Teile aus einer einzigen Metallart herzustellen. Doch die reale Welt ist selten so einfach. Ein Turbinenschaufelblatt muss beispielsweise an seiner Spitze extremer Hitze standhalten, während es nahe seiner Basis flexibel bleiben muss; ein medizinischer Implantat benötigt möglicherweise eine Oberfläche, die gut mit dem Knochen verwächst, aber einen Kern, der schwere Lasten trägt. Um diese Anforderungen zu erfüllen, haben Wissenschaftler lange versucht, während des Druckprozesses verschiedene Metalle zu mischen. Die Herausforderung lag immer in der Kontrolle: Wie mischt man zwei verschiedene Pulver so perfekt, dass sie sich sofort und gleichmäßig vermischen, bevor sie schmelzen, ohne dass eine Art von Pulver vom Kurs abkommt oder verklumpt?

Ein Team von Forschern der Nanchang University in China hat dieses Problem gelöst, indem sie eine neue Art von Düse entworfen haben – das Bauteil, das das Metallpulver in den Laserstrahl leitet. Anstatt die verschiedenen Pulver in einem Trichter zu mischen, bevor sie in die Maschine gelangen, hält ihr neues Design zwei verschiedene Pulver bis zum allerletzten Moment getrennt. Sie bauten eine koaxiale Doppelkanal-Düse, was im Wesentlichen bedeutet: ein Rohr innerhalb eines Rohres. Das innere Rohr transportiert eine Art Metallpulver, während der äußere Ring eine andere Art transportiert. Beide Ströme werden gleichzeitig in denselben Punkt gefeuert. Das Ziel war zu sehen, ob diese zwei unterschiedlichen Ströme, die sich aufgrund ihres Gewichts und ihrer Form von Natur aus unterschiedlich verhalten, dazu gezwungen werden können, unmittelbar vor dem Auftreffen auf das geschmolzene Metall gleichmäßig zu konvergieren und sich zu vermischen.

Um herauszufinden, wie man diese Düse am besten konstruiert, wandten sich die Forscher zuerst Computer-Simulationen zu. Sie erstellten ein virtuelles Modell des Gas- und Pulverflusses, um zu testen, wie verschiedene Formen und Winkel die Ströme beeinflussen würden. Sie entdeckten, dass die Größe der Rohre und der Winkel, unter dem sie zeigen, entscheidend sind. Wenn die Rohre zu breit sind, breitet sich das Pulver zu stark aus und verliert seinen Fokus. Wenn die Winkel nicht stimmen, könnten die beiden Ströme einander verfehlen oder an unterschiedlichen Abständen konvergieren, was zu einer unordentlichen Mischung führt. Durch diese Simulationen ermittelten sie, dass der innere Kanal in einem Winkel von 70 Grad und der äußere Kanal in einem Winkel von 60 Grad geneigt sein sollte, wobei beide Rohre einen Durchmesser von 0,8 Millimetern haben sollten. Sie berechneten auch, dass der Austritt des inneren Rohres 3 Millimeter vom Zentrum der Düse entfernt positioniert sein sollte und das äußere Rohr nur 1 Millimeter vom inneren entfernt sein sollte. Diese spezifischen Dimensionen würden, so fanden sie heraus, den dichtesten, am stärksten fokussierten Punkt erzeugen, an dem die beiden Pulver aufeinandertreffen.

Nachdem das Computermodell optimiert worden war, baute das Team einen physischen Prototyp der Düse und unterzog ihn einem Test. Sie wählten drei sehr unterschiedliche Metalle, um zu sehen, ob das Design der Herausforderung gewachsen war: eine Titanlegierung namens TC4, Molybdän und Kupfer. Diese Materialien variieren erheblich in Dichte und Form. Die Titan- und Molybdänpulver waren nahezu perfekte Kugeln, während das Kupferpulver unregelmäßig und gezackt war. Mit Hochgeschwindigkeitskameras beobachteten die Forscher, wie die Pulver aus der Düse flogen. Die Aufnahmen zeigten, dass die beiden Pulverströme trotz ihrer Unterschiede gemeinsam reisten und exakt denselben Punkt im Raum trafen. Als sie die Titan- und Kupferpulver mischten, ermöglichten die unterschiedlichen Farben der Metalle es ihnen, die Mischung in Echtzeit zu beobachten. Das silbrig-graue Titan und das rötlich-braune Kupfer vermischten sich am Konvergenzpunkt nahtlos, ohne Anzeichen dafür, dass das eine über dem anderen lag oder sich zu separaten Haufen verklumpte.

Um zu beweisen, dass diese Mischung in einer realen Fertigungsumgebung funktionierte, nutzten die Forscher die Düse, um ein Musterteil zu bauen. Sie leiteten die Titanlegierung durch den inneren Kanal und das Molybdän durch den äußeren Kanal, wodurch eine einzige Spur entstand, die zehn Schichten hoch war. Nachdem das Teil gebaut worden war, schnitten sie es auf und untersuchten den Querschnitt unter einem Mikroskop. Die Ergebnisse waren eindeutig: Das Molybdän war über die gesamte Struktur gleichmäßig verteilt, genau wie das Titan. Es gab keine dunklen oder hellen Flecken, die darauf hindeuteten, dass ein Metall nach unten gesunken oder nach oben geschwebt war. Dies bestätigte, dass sich die Pulver in der Luft gründlich vermischt hatten, bevor sie schmolzen, wodurch eine einheitliche Mischung aus zwei sehr unterschiedlichen Materialien entstand.

Die Studie zeigt, dass es durch die sorgfältige Konstruktion des Pfades der Pulverströme möglich ist, unähnliche Metalle zu einem Laserstrahl zu führen und eine perfekte Mischung zu erzielen, ohne sie vorab zu mischen. Dieser Ansatz bietet eine neue Ebene der Kontrolle für die Herstellung komplexer Komponenten mit maßgeschneiderten Eigenschaften. Die Forscher zeigten, dass mit der richtigen Geometrie der Düse die natürlichen Unterschiede zwischen schweren, leichten, runden oder gezackten Pulvern keine Barriere darstellen müssen. Stattdessen können sie gesteuert werden, um ein konsistentes, hochwertiges Material zu produzieren, das die besten Eigenschaften seiner Bestandteile vereint, was die Tür für fortschrittlichere und anpassungsfähigere Metallteile in der Zukunft öffnet.