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May 26, 2023

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Die industrielle Produktion von Titanlegierungen war schon immer mit Herausforderungen im Zusammenhang mit Qualität und Abfallmanagement verbunden. Ingenieurwissenschaftler der Hong Kong Polytechnic University

Die industrielle Produktion von Titanlegierungen war schon immer mit Herausforderungen im Zusammenhang mit Qualität und Abfallmanagement verbunden. Ingenieurwissenschaftler der Hong Kong Polytechnic University (PolyU) haben in Zusammenarbeit mit der RMIT University und der University of Sydney erfolgreich die additive Fertigung, auch bekannt als 3D-Druck, eingesetzt, um diese seit langem bestehenden Probleme bei der Herstellung von Titanlegierungen zu lösen. Die Forschungsstudie mit dem Titel „Starke und duktile Titan-Sauerstoff-Eisen-Legierungen durch additive Fertigung“ wurde kürzlich in Nature veröffentlicht.

Titanlegierungen sind fortschrittliche Leichtbaumaterialien, die in vielen kritischen Anwendungen eine unverzichtbare Rolle spielen. Die Entdeckung des Forschungsteams zum innovativen Einsatz der additiven Fertigung für die Herstellung von Titanlegierungen und möglicherweise anderen Metallmaterialien bietet zahlreiche Vorteile, wie etwa geringere Kosten, verbesserte Leistung und nachhaltiges Abfallmanagement.

Durch den Einsatz von 3D-Druck hat das Forschungsteam eine neue starke, duktile und nachhaltige Titanlegierung (α–β Ti-O-Fe-Legierung) hergestellt. Diese Eigenschaften werden durch den Einbau von kostengünstigem und reichlich vorhandenem Sauerstoff und Eisen erreicht, den beiden stärksten Stabilisierungselementen und Festigern für Titanlegierungen in der α-β-Phase. Die neue Titanlegierung weist ein enormes Potenzial für vielfältige Anwendungen auf, die von der Luft- und Raumfahrt- und Schiffstechnik bis hin zu Unterhaltungselektronik und biomedizinischen Geräten reichen.

Im Vergleich zum Benchmark-Material Ti-6AI-4V, das seit seiner Formulierung im Jahr 1954 weit verbreitet ist, weist die neue Titanlegierung des Forscherteams eine bessere mechanische Leistung bei vergleichbarer Duktilität und deutlich höherer Festigkeit auf.

Obwohl auch herkömmliche Fertigungsmethoden wie Gießen zur Herstellung der neuen Titanlegierung verwendet werden können, können die schlechten Eigenschaften des resultierenden Materials dazu führen, dass es für die praktische Technik ungeeignet ist. Die additive Fertigung überwindet effektiv die Einschränkungen traditioneller Methoden zur Verbesserung der Legierungseigenschaften.

Der energieintensive Kroll-Prozess, der typischerweise zur Herstellung von Titanlegierungen verwendet wird, erzeugt minderwertiges Schwammtitan, das etwa 10 % des gesamten Schwammtitans ausmacht, was zu erheblichem Abfall und erhöhten Produktionskosten führt. Die additive Fertigung geht dieses Problem effektiv an, indem sie das Recycling von minderwertigem Titanschwamm ermöglicht und den Abfall in Pulver zur Verwendung als Rohmaterial umwandelt.

Dr. Zibin CHEN, Assistenzprofessor der Abteilung für Industrie- und Systemtechnik an der PolyU, Preisträger des Young Innovative Researcher Award 2022 und Hauptautor der Studie, erklärte: „Unsere Arbeit kann das Recycling von mehr als 10 % der … ermöglichen.“ Abfälle, die in der Metalllegierungsindustrie anfallen. Dadurch können sowohl die Material- als auch die Energiekosten für die Industrie erheblich gesenkt werden, was zur ökologischen Nachhaltigkeit und zur Reduzierung des CO2-Fußabdrucks beiträgt.“

Die Forschung integriert Legierungsdesign, Computersimulationen und experimentelle Charakterisierung, um den additiven Fertigungsprozess-Mikrostruktur-Eigenschaftsraum für die neue Titanlegierung (α-β-Ti-O-Fe-Legierung) zu untersuchen.

Die Studie hebt hervor, dass die additive Fertigung die einstufige Herstellung komplexer und funktionaler Metallteile ermöglicht und dadurch die Produktentwicklung bei reduzierten Kosten beschleunigt. Darüber hinaus können damit Metallteile mit einzigartigen Strukturen und Zusammensetzungen hergestellt werden, die mit herkömmlichen Methoden nicht erreicht werden können.

Im Hinblick auf die Qualitätsverbesserung ermöglicht die additive Fertigung die Anpassung der Mikrostruktur von Metalllegierungen, was zu erhöhter Festigkeit, Flexibilität sowie Korrosions- und Wasserbeständigkeit führt. Darüber hinaus können leichte, aber stabile Metallteile mit komplizierten Innenmustern hergestellt werden. Dieser Forschungsdurchbruch eröffnet Möglichkeiten für ganzheitliche und nachhaltige Materialdesignstrategien, die durch den 3D-Druck ermöglicht werden.

Prof. Keith KC CHAN, Lehrstuhlinhaber für Fertigungstechnik am Department of Industrial and Systems Engineering der PolyU und Mitautor der Studie, bemerkte: „Diese Arbeit kann als Modell oder Benchmark für andere Metalllegierungen dienen, die 3D-Druck verwenden.“ um ihre Eigenschaften zu verbessern und ihre Anwendbarkeit zu erweitern. Der Metall-3D-Druck ist ein aufstrebendes Feld und es wird einige Zeit dauern, bis er in der Materialherstellung weit verbreitet ist.