High Pressure Die Casting (HPDC) with Laser Additively Manufactured (LAM) Lattice Inserts: An Exploratory Study on Densification and Interfacial Microstructure

Stel je een wereld voor waarin zware metalen onderdelen worden vervangen door lichtere, sterkere versies die nog steeds standhouden onder enorme druk. Dit is de belofte van het combineren van twee zeer verschillende productietechnieken: hoogdrukspuitgieten, een methode die al decennia wordt gebruikt voor de massaproductie van complexe metalen vormen zoals auto-motorblokken, en additive manufacturing, de industriële term voor 3D-printen. Terwijl 3D-printen ingenieurs in staat stelt om complexe interne structuren te creëren die op geen enkele andere manier gemaakt kunnen worden, is hoogdrukspuitgieten de kampioen in snelheid en oppervlakteafwerking. Jarenlang hebben onderzoekers geprobeerd deze werelden te versmelten, voornamelijk door 3D-printen te gebruiken om betere koelkanalen in de mallen zelf te maken. Echter, een nieuwe benadering stelt een dapperere vraag: wat als het 3D-geprinte object niet alleen een hulpmiddel is voor het maken van het onderdeel, maar daadwerkelijk een permanent, functioneel onderdeel is binnen het uiteindelijke product? Dit is de uitdaging van het inbedden van een delicaat, sponsachtig 3D-geprint rooster direct in een solide metalen gietsel, een prestatie die vereist dat het gesmolten metaal perfect in minuscule openingen stroomt zonder holtes achter te laten of zwakke plekken te creëren waar de twee materialen elkaar ontmoeten.

Bij het Foundry Institute aan de RWTH Aachen Universiteit in Duitsland ging een team van onderzoekers aan de slag om dit puzzelstuk op te lossen. Ze namen 3\D-geprinte structuren van roestvrij staal, ontworpen met twee verschillende herhalende patronen die bekend staan als body-centered cubic en Kelvin-cellen. Deze patronen zien eruit als complexe, geometrische steigers gemaakt van staven en knooppunten. Het team maakte deze steigers met twee verschillende diktes voor hun staven, één set van 0,6 millimeter en een andere van 1,2 millimeter. Vervolgens plaatsten ze deze stalen inzetstukken in een mal en goten ze een aluminiumlegering in de holte, in de hoop dat het vloeibare metaal het stalen rooster zou overstromen en elke nis en elk hoekje zou vullen om een enkel, solide hybride onderdeel te creëren. De cruciale variabele die zij testten, was druk. Bij standaardgieten wordt het metaal erin geduwd en daarna afgekoeld. In dit experiment brachten de onderzoekers een enorme extra persing aan, bekend als intensiveringsdruk, aan het einde van het vulproces om het metaal dieper in de stalen structuur te dwingen. Ze testten ook hoe ver het metaal moest reizen, waarbij ze monsters vergeleken waarbij het rooster direct naast het gietpunt zat tegenover monsters waarbij het metaal een langere afstand moest afleggen om het inzetstuk te bereiken.

De resultaten toonden aan dat de extra persing niet alleen nuttig was, maar essentieel. Zonder de intensiveringsdruk had het gesmolten aluminium moeite om het stalen rooster binnen te dringen, waardoor de structuur vol bleef met lege zakken en slecht gevuld was. Het metaal kon simpelweg niet snel genoeg door de kleine kanalen duwen voordat het begon af te koelen en te harden. Echter, toen de onderzoekers de hoge druk aan het einde van de cyclus toepasten, verbeterde de densificatie drastisch. Het metaal werd diep in het rooster geperst, wat resulteerde in een bijna solide composiet. Interessant genoeg deed de afstand die het metaal aflegde er meer toe dan de dikte van de stalen staven. Wanneer het rooster ver van het gietpunt werd geplaatst, werkte de hoge druk het beste, waarbij het metaal met opmerkelijke uniformiteit door de structuur werd geduwd. Wanneer het rooster direct naast het gietpunt zat, raakte het metaal het staal soms te hard en stuiterde het eromheen, of werd de druk niet gelijkmatig verdeeld, wat leidde tot een iets minder perfecte vulling. De studie vond dat de beste resultaten voortkwamen uit een combinatie van hoge druk en een langer stromingspad, waardoor het metaal de structuur op een zachtere en volledigere manier kon laten bezinken.

Zodra de onderdelen waren gegoten, bekeken het team nauwkeurig de grens waar het staal het aluminium ontmoette. Ze verwachtten een rommelige chemische reactie te zien, een veelvoorkomend probleem wanneer men twee verschillende metalen samen smelt, wat vaak brosse lagen creëert die ervoor zorgen dat het onderdeel faalt. In plaats daarvan vonden ze een schone, scherpe lijn waar de twee materialen elkaar ontmoetten, zonder tekenen van een dikke, brosse reactielaag. De binding werd niet gevormd doordat de metalen chemisch in elkaar smolten; in plaats daarvan had het aluminium zich fysiek vergrendeld in het ruwe oppervlak en de kleine poriën van het 3D-geprinte staal. Deze mechanische verankering was sterk genoeg om de twee verschillende materialen bij elkaar te houden zonder de noodzaak van een chemische fusiezone. De snelle afkoeling van het hoogdrukgietproces was hier de held; het bevroor de metalen zo snel dat de ijzerrijke elementen uit het staal geen tijd hadden om in het aluminium te diffunderen en zwakke, brosse verbindingen te vormen.

De uiteindelijke onderdelen waren niet alleen goed gevuld, maar ook structureel gezond. Wanneer de onderzoekers de hardheid van de materialen maten, zagen ze een duidelijk onderscheid: het 3D-geprinte staal was aanzienlijk harder dan het gegoten aluminium, en de overgang tussen hen was scherp, wat bevestigde dat de twee materialen afzonderlijk bleven in plaats van te versmelten tot een zwak mengsel. Deze studie demonstreert dat het mogelijk is om complexe, 3D-geprinte stalen roosters in te bedden in aluminium gietsels om lichtgewicht, sterke componenten te creëren, mits het gietproces zorgvuldig wordt gecontroleerd. De sleutel is het gebruik van hoge druk om het metaal in het rooster te dwingen en te vertrouwen op de snelheid van het proces om te voorkomen dat de twee metalen op een manier reageren die de verbinding zou verzwakken. Dit opent een pad voor het creëren van hybride onderdelen die lichter en sterker zijn dan wat elk van de twee productiemethoden alleen zou kunnen bereiken, wat nieuwe mogelijkheden biedt voor industrieën die gewicht willen verminderen zonder in te leveren op prestaties.