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Jun 07, 2023

Vollgas geben – und andere Materialien in Bewegung

Die jüngsten Fortschritte bei Polymeren, Metallen und Verbundwerkstoffen nehmen zu

Die jüngsten Fortschritte bei Polymeren, Metallen und Verbundwerkstoffen führen die Fertigungsindustrie in mutige, oft unerwartete Richtungen

Vor Jahrtausenden begannen die Menschen, Metalle in nützliche Formen umzuwandeln, zuerst mit Kupfer und Gold, dann mit Bronze, gefolgt von Eisen und Stahl. Polymere haben eine viel kürzere Geschichte – etwas mehr als ein Jahrhundert –, sind aber seitdem genauso wichtig geworden wie ihre metallischen Gegenstücke.

Dann sind da noch die Neulinge in der Materialentwicklung, darunter kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) und Metallmatrix-Verbundwerkstoffe, die in den letzten Jahren aufgrund ihrer Festigkeit und Steifigkeit, ihres relativ geringen Gewichts und ihrer „Abstimmbarkeit“ immer beliebter geworden sind. für verschiedene Anwendungen.

Die Innovationen im gesamten Materialspektrum werden fortgesetzt und führen zu einer vielseitigen Mischung fortschrittlicher Formulierungen mit anwendungsspezifischen Eigenschaften, um Festigkeit, Haltbarkeit und Formbarkeit zu verbessern und gleichzeitig das Gewicht zu reduzieren und die Nachhaltigkeit zu verbessern. Es gab zwar nie große Zweifel, aber die Entwicklung moderner Materialien ist wirklich eine Wissenschaft.

Ironischerweise strebt einer der etabliertesten Akteure in dieser Materialmenagerie, Stahl, erneut danach, die Führung zu übernehmen – zumindest in der Automobilwelt. Das liegt daran, dass fortschrittlicher hochfester Stahl (AHSS) und ultrahochfester Stahl (UHSS) aufgrund ihres Gewichts und ihrer Vorteile für die Umwelt in vielen Pkw- und Lkw-Konstruktionen die Hauptrolle gespielt haben.

Laut dem American Iron and Steel Institute (AISI) können sogenannte Stähle der 3. Generation „das Strukturgewicht eines Fahrzeugs um bis zu 25 Prozent reduzieren und die gesamten CO2-Emissionen über den gesamten Lebenszyklus um bis zu 15 Prozent senken, mehr als jeder andere Automobilwerkstoff.“ , Washington, D.C

Chris Kristock, Vizepräsident des Automobilprogramms von AISI, stellte fest, dass die Stahlindustrie auf dem Weg zu diesen hochfesten Stählen mehrere unterschiedliche Phasen durchlaufen hat. „Einige von uns erinnern sich vielleicht an die praktisch unzerstörbaren Checker Cabs der fünfziger Jahre, deren Karosserieteile aus schweren Kohlenstoff-Mangan-Legierungen bestanden“, sagte er. „Damals wurde Festigkeit durch die Verwendung dickerer Materialien erreicht, eine Praxis, die heutzutage nicht mehr üblich ist.“

Der erste Schritt hin zu dünneren Metallen erfolgte mit der Zugabe von Columbium, Titan, Vanadium und ähnlichen Legierungselementen, die alle dazu dienen, die Festigkeit zu erhöhen und gleichzeitig eine gute Duktilität aufrechtzuerhalten. Allerdings sind nicht alle Verbesserungen rein metallurgischer Natur. Autohersteller entwickelten bald das Heißprägeverfahren, bei dem Stahl mit etwas höheren Mengen an Kohlenstoff und Mangan (und etwas Bor) während der Umformung auf 1.800 °F (982 °C) erhitzt und dann noch im Gesenk abgeschreckt wird. Und während dieser Prozess starke, hochwertige Teile hervorbrachte, wollten die Autohersteller mehr.

Kristock erklärte, dass Gen3-Stähle von Natur aus zweiphasig sind und eine ferritisch-martensitische Mikrostruktur aufweisen, die ihre mechanischen Eigenschaften deutlich verbessert.

„Herkömmlicher kohlenstoffarmer Stahl hat eine Streckgrenze für die Umformung von etwa 210 Megapascal (MPa) oder 30.000 psi“, sagte er. „Dennoch haben Stahlhersteller damit begonnen, kommerzielle Legierungen zu vertreiben, die mit einer Streckgrenze im Bereich von 800 MPa und einer damit verbundenen Zugfestigkeit von 1.180 MPa kaltumgeformt werden können, wobei einige Warmumformqualitäten in der Lage sind, in fertigen Teilen Streckgrenzen von bis zu 1.400 MPa oder mehr zu erreichen Siebenmal so hoch wie Weichstahl mit einer damit verbundenen Zugfestigkeit von bis zu 1500 MPa. Und damit ist es noch nicht getan – wir sehen, dass Stähle mit zehnmal höherer Festigkeit in Sicht sind.“

Wie eingangs erwähnt, stellt der Mensch seit Jahrtausenden Stahl her. Was hat sich also geändert? Sind diese enormen Verbesserungen auf neu entdeckte Legierungselemente oder auf eine völlig andere Herstellungsmethode zurückzuführen?

Die Antwort, erklärte Kristock, sei weder das eine noch das andere. „Dank fortschrittlicher Prozesskontrollen und einer Vielzahl technologischer Verbesserungen sind wir besser in der Lage, die thermische Verarbeitung bei der Stahlherstellung zu manipulieren“, sagte er. „Wir können den Stahl so erhitzen und abkühlen, dass er das traditionelle Verhältnis von Festigkeit und Duktilität durchbricht.“

Aber hinter dieser Geschichte der Stahlherstellung steckt noch viel mehr. Kristock beschrieb weiterhin die Durchlaufglühöfen und Gasabschrecksysteme, die es den Betreibern von Walzwerken ermöglichen, AHSS und UHSS zu produzieren, ganz zu schweigen von einer Vielzahl fortschrittlicher Umform- und Verbindungsmethoden, die AISI und seine Mitgliedsunternehmen entwickelt haben, um erfolgreich Produkte aus diesen hochwertigen Materialien herzustellen. Festigkeitsstähle. Einfach ausgedrückt: Die Stahlindustrie ist lebendig und gesund und versorgt Automobilhersteller und andere Marktsegmente weiterhin mit den Legierungen, die sie für die Lieferung hochwertiger Waren benötigen.

QuesTek Innovations LLC verfügt über umfangreiche Erfahrung in der Entwicklung und dem Einsatz neuartiger Legierungen. Das Unternehmen aus Evanston, Illinois, bietet seit mehr als 25 Jahren integrierte Computational Materials Engineering (ICME)-Dienste an und wird seine proprietären Material-Toolkits, Modelle und Datenbanken bald über eine cloudbasierte Software-as-a-Service-Lösung anbieten ( SaaS)-Abonnement unter dem Markennamen ICMD (Integrated Computational Materials Design).

Doch wie Keith Fritz, Direktor für Lösungsarchitektur, erklärte, gehen die Dienstleistungen von QuesTek weit über die Entwicklung hinaus und umfassen produktspezifische Materialoptimierung und Fertigungsunterstützung, was das Unternehmen „Materialkonkurrenz“ nennt.

„Nehmen wir an, Sie müssen das Fahrwerk für ein Flugzeug entwerfen“, sagte Fritz. „Eines der ersten Dinge, die Sie tun, ist, nach einer Legierung zu suchen, die die erforderlichen Leistungsmerkmale bietet, und dann die Teile entsprechend diesen Spezifikationen zu entwerfen. In anderen Fällen entwerfen Sie möglicherweise ein Produkt, bevor Sie ein Material finden oder möglicherweise entwickeln, das dies bietet.“ Ihren Anforderungen gerecht zu werden“, fuhr er fort. „Die Idee bei der Parallelität von Materialien besteht darin, dass beide Prozesse gleichzeitig beginnen. Sie können das Material und das Produkt parallel zueinander entwickeln, was eine radikale Abkehr von der Art und Weise darstellt, wie Teile in der Vergangenheit entworfen wurden.“

Beispiele hierfür sind ein Projekt mit der US-Armee, bei dem es darum ging, die alten 8620- und 9310-Stähle, die in den Rotorgetrieben ihrer Hubschrauber verwendet werden, durch neuartige Legierungen zu ersetzen, die „eine Kombination aus erhöhter Biege- und Kontaktermüdungsbeständigkeit, verbesserter Kernfestigkeit mit guten Eigenschaften“ aufweisen würden Zähigkeit, höhere Temperaturbeständigkeit und ausgezeichnete Härtbarkeit.“

Es war eine große Aufgabe, aber durch den Einsatz seiner Softwaretools und seines technischen Fachwissens entwickelte QuesTek Ferrium C64-Stahlpulver, das es den Subunternehmern Bell Helicopter und Sikorsky (Teil von Lockheed Martin) ermöglichte, Prototypenteile in 3D zu drucken, die den Anforderungen der Armee entsprachen.

Ein ähnliches Projekt mit der US-Marine führte zu Ferrium N63, einer ebenso zähen, aushärtbaren Legierung, die für ein breites Spektrum anspruchsvoller Verteidigungs- und Energieanwendungen geeignet ist. Aber die vielleicht bekannteste Erfolgsgeschichte von QuesTek wird jeden erreichen, der eine Apple Watch trägt. Hier erwarb der Hersteller „bestimmte Technologie und Know-how“ von QuesTek und entwickelte daraus eine neue Aluminiumsorte mit erhöhter Festigkeit und Oberflächenhärte, hervorragenden Bearbeitungseigenschaften und anderen Eigenschaften, die Apple dabei helfen würden, die Rentabilität und Kundenzufriedenheit zu maximieren .

„Wir arbeiten auch mit Kunden zusammen, um bestehende Materialien zu optimieren“, fügte Thomas Kozmel, Leiter der Materialentwicklung bei QuesTek, hinzu. „Wie viele in der Branche wissen, sind Legierungsspezifikationen in der Regel recht breit gefächert, was bedeutet, dass eine Materialcharge möglicherweise schlechter bearbeitbar ist als eine andere, obwohl sie technisch gesehen die gleiche Güteklasse haben. Beispielsweise haben wir kürzlich einem Kunden aus der Luft- und Raumfahrtindustrie bei der Entwicklung einer … geholfen verbesserte Formulierung von Inconel 718, die besser für ihre spezifische Anwendung geeignet ist als die generische Spezifikation.“

Pin Lu, Programmmanager und leitender Materialdesigningenieur bei QuesTek, stimmte zu. „Unsere Modelle, die als digitale Zwillinge betrachtet werden können, können die verschiedenen Prozesse simulieren, die eine Legierung während der Herstellung durchlaufen könnte, sei es Gießen, Wärmebehandlung, Nachbearbeitung, Oberflächenveredelung usw. Wir können die Auswirkungen dieser Prozesse modellieren.“ zu Materialeigenschaften, simulieren, was in der Produktion passiert, und stellen Fragen wie: „Was passiert, wenn ich der Chemie mehr Bor hinzufüge?“ Die Beantwortung solcher Fragen anhand eines digitalen Modells erspart dem Hersteller eine Menge Versuch-und-Irrtum-Entwicklungszeit und Materialtestkosten und liefert gleichzeitig ein besseres Ergebnis.“

Manchmal hängen Produktinnovationen überhaupt nicht von neuartigen Materialien ab, sondern von einem besseren Verständnis bestehender Materialien. Dies ist bei Milwaukee Tool der Fall, das zu diesem Zweck erhebliche Anstrengungen in die Datenerfassung und fortschrittliche cloudbasierte Analysen investiert hat. Das sagt Max Sawa, Senior Manager of Advanced Engineering, der erklärte, dass der in Brookfield, Wisconsin, ansässige Anbieter von Baustellenlösungen für das Maschinenbau-, Elektro- und Sanitärgewerbe in seinem Innovation Center eine breite Palette an Prototyping- und Testgeräten nutzt .

„Wir haben ein Front-End-Team innerhalb unserer fortschrittlichen Engineering-Gruppe, das kundenspezifische Maschinen für Prototyping und Tests entwirft und baut“, sagte Sawa. „Diese Maschinen sind mit Sensoren ausgestattet, die Daten sammeln, die wir dann verwenden, um die Produktleistung zu analysieren und bessere Designentscheidungen zu treffen. Das können Informationen darüber sein, wie ein Metall auf die Wärmebehandlung reagiert hat, oder vielleicht auch die Leistung eines umspritzten Polymers nach wiederholter Behandlung.“ Fahrräder.

„Letztendlich“, fuhr er fort, „sind diese Art von Informationen für jeden Ingenieur, der neue Produkte entwickelt, von entscheidender Bedeutung. Je schneller wir ihnen diese Informationen liefern können, desto schneller können sie iterieren und Produkte auf den Markt bringen.“

Ein bemerkenswertes Ergebnis dieser Bemühungen war, dass die Ingenieure von Milwaukee Tool eine effektivere Methode erfanden, um die Hartmetallzähne mit den Stahlsägeblättern der Marke Sawzall Torch zu verbinden, was Berichten zufolge zu einer Verfünfzigfachung der Werkzeuglebensdauer führte. Das Unternehmen hat außerdem Nitruscarbid-Sägeblätter für Säbelsägen entwickelt, die schnelleres Schneiden und eine längere Lebensdauer in Gusseisen und dicken Metallen versprechen. „Jedes davon ist das direkte Ergebnis der Datenerfassung aus unseren Prototyping-Prozessen, die diese Art der Materialentwicklung beschleunigen“, bemerkte Sawa.

John Barnes hat viel über die Produktentwicklung zu sagen, insbesondere wenn es um Produkte geht, die im 3D-Druck hergestellt werden. Als Gründer und CEO von The Barnes Global Advisors, einem Beratungsunternehmen für additive Fertigung (AM) in Pittsburgh, erkannte er bereits vor Jahren die Notwendigkeit einer größeren Konsistenz der Metall- und Polymerpulver, die bei der direkten Laser-Pulverbett-Fusion (LPBF) verwendet werden -Energiedeposition (DED) und Überschallpartikeldeposition (Kaltspray) AM-Methoden.

Zusammen mit seinem Geschäftspartner Chris Aldridge entwickelten Barnes und sein Team eine innovative Technologie, die herkömmliche Zerstäubungsmethoden zugunsten einer mechanischen Pulvererzeugungstechnik umgeht, die handelsübliches Stangenmaterial verwendet und bei Raumtemperatur durchgeführt wird. Im Jahr 2017 brachten die beiden ihr Verfahren auf den Markt und gründeten Metal Powder Works (MPW) mit Sitz in Pittsburgh, ein Unternehmen, das Barnes eher als „Legierungsermöglicher“ als als Legierungsentwickler beschreibt.

„Heute gibt es 16 verschiedene AMS-Spezifikationen für Metallpulver, aber mehr als 2.000 Spezifikationen für Stangenmaterial“, sagte Barnes. „Unser Verfahren ermöglicht die direkte Umwandlung von Stangenmaterial in Pulver, ohne ihre metallurgischen Eigenschaften zu verändern, was die Zertifizierung von 3D-gedruckten Teilen erheblich vereinfacht.“

„Darüber hinaus bieten wir eine viel höhere Ausbeute und eine bessere Pulverkonsistenz als durch Zerstäubung und haben eine bessere Kontrolle über die Partikelmorphologie und Größenverteilung“, erklärte Barnes. „Normalerweise versuche ich, Begriffe wie revolutionär oder disruptiv zu vermeiden, aber ich muss sagen, dass kein anderer Prozess das leisten kann, was unseres leistet.“

Warum spielt die Partikelform eine große Rolle, wenn diese winzigen Metallteile sowieso einfach geschmolzen, verschmolzen oder zusammengeschlagen werden? Barnes erklärte, dass jede AM-Technologie ihre eigenen spezifischen Anforderungen hat, aber ein gemeinsamer Nenner der Pulverbett- und Kaltspritzverfahren ist die Notwendigkeit zunächst der Konsistenz, eine Eigenschaft, die das MPW-Verfahren von Natur aus bietet, zusammen mit der Möglichkeit, die Produktion an die spezifischen Anforderungen anzupassen Herstellungsprozess, um Dichte zu erreichen.

Die weitgehend kugelförmigen Formen, die durch die Gaszerstäubung entstehen, berühren ihre Nachbarn nur an ein oder zwei Stellen, wodurch ihre Fähigkeit, miteinander zu verschmelzen, eingeschränkt wird. Nicht so beim DirectPowder-Verfahren von MPW, das durch numerische Steuerung „programmiert“ werden kann, um halbkugelförmige, scheibenförmige und sogar fadenförmige Partikel in einem breiten Größenbereich zu erzeugen.

„Wir können auch Material auf Abruf direkt am Einsatzort produzieren, was wir Sidecar oder das markenrechtlich geschützte Powder by the Hour nennen“, fügte Barnes hinzu. „Dadurch werden Sicherheitsbedenken gemindert. Es besteht kaum Lagerbedarf, wodurch die Oxidationsprobleme, die bei Pulvern so häufig auftreten, entfallen. Und es ist viel kostengünstiger – während ein Barren 7075-Aluminium heute etwa 5 US-Dollar pro Pfund kostet, kostet ein Eimer zerstäubtes Pulver 80 US-Dollar.“ ein Pfund. Daher dürften auch Ihre Buchhalter mit dieser Lösung zufriedener sein.“

Abgesehen von den Kosteneinsparungen wäre Metal Powder Works vielleicht nicht der beste Name gewesen. Barnes gibt zu, dass das Unternehmen zu sehr damit beschäftigt war, Metallstangen in Pulver umzuwandeln, um viel mit Polymeren zu tun, sagte aber, dass das Verfahren auch hier angewendet werden könne. Das sind großartige Neuigkeiten für Samuel Leguizamon, der sich mit Polymeren bestens auskennt. Wenn Sie diesen leitenden Wissenschaftler der Sandia National Laboratories in Albuquerque treffen, werden Sie vielleicht sogar mit den Worten begrüßt: „Sam ist der Name, fortschrittliche Polymermaterialien sind das Spiel.“

Wie bei MPW liegt der Fokus von Leguizamon auf dem 3D-Druck. Und obwohl er einen Großteil seiner Zeit mit der Entwicklung von Schlämmen und Harzen für die DWI-Verarbeitung (Direct Ink Write) verbringt, liebt er alle Polymere gleichermaßen. Auf die Frage, wie er bei der Erfindung eines neuen Materials vorgeht, war die Antwort von Leguizamon nicht überraschend: „Das kommt auf die Anwendung an. Muss das Polymer Wärme oder Strahlung ableiten? Welche mechanischen Anforderungen sind zu erfüllen? Vernetzen sich die Moleküle?“

„Sobald Sie so viele dieser Fragen wie möglich beantwortet haben“, fuhr er fort, „ist es an der Zeit, die für die Herstellung einer ersten Formulierung benötigten Rohstoffe zu synthetisieren oder hoffentlich zu kaufen. Anschließend analysieren Sie die verschiedenen Eigenschaften, passen sie bei Bedarf an und Sobald alles Ihren Wünschen so nahe wie möglich kommt, drucken Sie einige Testteile aus. Das ist oft ein sehr iterativer Prozess.“

Derzeit verwendet Leguizamon keine Softwaretools für diesen Prozess, aber er sagte, dies sei „definitiv ein großes Interessengebiet“ für ihn und andere in der Welt der Materialentwicklung.

Das ist Musik in den Ohren von Greg Mulholland, CEO von Citrine Informatics Inc., der bei der Gründung des Unternehmens mitgeholfen hat, basierend auf der Prämisse, dass dort, wo 3D-Designwerkzeuge wie CAD und CAE das geometrische Design physischer Produkte revolutionierten, noch niemand die Software entwickelt hatte Werkzeuge, die zum Entwerfen der tatsächlich in diesen Produkten verwendeten Materialien erforderlich sind. Das war vor 10 Jahren und das in Redwood City, Kalifornien, ansässige Unternehmen ist auf dem besten Weg, diese unglückliche Situation zu ändern.

„In den letzten anderthalb Jahrzehnten wurde viel über den Einsatz von Software zum Entwerfen von Materialien gesprochen, aber bis jetzt hat niemand dies tatsächlich in irgendeiner sinnvollen Weise umgesetzt“, räumte Mulholland ein.

In der Vergangenheit hätten Hersteller neue Materialien entwickelt, indem sie bestehende optimiert hätten, erklärte er. Unternehmen benötigen möglicherweise einen Klebstoff, der bei kalten Temperaturen besser haftet, oder eine etwas härtere oder duktilere Legierung, die sie dann mithilfe des gerade beschriebenen iterativen Prozesses herstellen – durch Versuch und Irrtum, indem sie auf der Grundlage ihres Wissens arbeiten und fundierte Vermutungen anstellen.

„Meine Mitbegründer und ich haben eine Plattform geschaffen, die Materialdaten und maschinelles Lernen zusammenführt und es dem Benutzer ermöglicht, das durchzuführen, was ein Finanzier „Was-wäre-wenn“-Analysen nennen würde“, sagte Mulholland. „Sie können sich sagen: ‚Wenn meine Materialeigenschaftsziele X sind, welche Prozessparameter, Legierungselemente oder chemischen Abstimmungen kann ich dann nutzen, um dieses Ergebnis zu erreichen?‘ Anschließend können Sie diese Variablen in unsere Software integrieren und virtuell statt physisch iterieren, bis Sie die gewünschten Ergebnisse erzielen.“

Josh Tappan, Marketingdirektor von Citrine, stellte fest, dass viele Hersteller mit Konflikten zwischen Leistung, Verbraucherpräferenzen und regulatorischem Druck konfrontiert sind. Ein berüchtigtes Beispiel sind Per- und Polyfluoralkyl-Substanzen (PFAS). Diese vielseitigen Beschichtungen sind hitze-, öl- und wasserbeständig. Sie kommen in allem vor, von Kleidung bis hin zu Kochutensilien, aber nach Angaben der Centers for Disease Control sind PFAS auch eine dauerhafte Chemikalie, die sich im Laufe der Zeit ansammelt und im Verdacht steht, eine Reihe negativer und schwerwiegender Auswirkungen auf die Gesundheit zu haben.

„Wie bei BPA [Bisphenol A] werden Materialien, die wir in der Vergangenheit verwendet haben, nicht mehr lange zugelassen sein, weshalb Chemie- und Metallhersteller eine schnellere und kostengünstigere Möglichkeit benötigen, die nächsten Produkte zu formulieren.“ Generationsmaterialien", sagte er. „Die gute Nachricht ist, dass wir Materialstrukturen heute besser als je zuvor kontrollieren können, bis zu dem Punkt, dass wir einzelne Atome buchstäblich manipulieren können. Das Problem besteht dann darin, diese neuartigen Strukturen zu bewerten und ihre Leistungsmerkmale ohne langwierige Tests zu bestimmen.“ "

Mulholland stimmte zu und fügte hinzu, dass die Materialindustrie noch nie besonders gut bei der Optimierung mehrerer Ziele gewesen sei. „Jeder möchte leichter und stärker sein, und obwohl beides allein leicht zu erreichen ist, ist es ziemlich schwierig, beides zu kombinieren“, lachte er.

Mulholland arbeitete früher für ein Unternehmen, das Galliumnitrid herstellte, ein Halbleitermaterial, das für blaue Leuchtdioden verwendet wird. Damals galt das Material als die beste Lösung für verschiedenste Anwendungen.

„Wenn Sie mich damals gefragt hätten, welches das beste Material für Bohrer, Glühbirnen oder Schienbeinschoner für Fußball-WM-Spieler ist, hätte ich Galliumnitrid gesagt“, überlegte Mulholland.

Dies ist dank der jüngsten Fortschritte, die zu mehr Alternativen geführt haben, nicht mehr der Fall. „Unsere Software ermöglicht es Unternehmen, das Fachwissen ihrer Mitarbeiter zu nutzen, es aber auf Bereiche auszuweiten, die über die Bereiche hinausgehen, in denen sie normalerweise arbeiten“, vertraute Mulholland an. „Denn ehrlich gesagt haben wir in letzter Zeit einen Generationswechsel bei den betrieblichen Anforderungen erlebt und benötigen neue Materialien, um die Ziele zu erreichen, die wir als Gesellschaft erreichen müssen. Das ist es, was wir mitbringen.“

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