Wissenschaftler aus China und den USA entwickeln neuen Stahl für 3D-Druck

Forscher aus China und den USA haben mithilfe modernster künstlicher Intelligenz eine innovative Stahllegierung für den 3D-Druck entwickelt. Dieses neue Material zeichnet sich durch hohe Festigkeit, Flexibilität und Korrosionsbeständigkeit aus und ist zudem kostengünstiger und schneller in der Herstellung als traditionelle Stahllegierungen.

Wie das Magazin Interesting Engineering berichtet, das über Fortschritte in Wissenschaft und Technologie berichtet, haben Wissenschaftler der Südchinesischen Universität und der Purdue-Universität ihre Kräfte gebündelt, um die neue Legierung zu entwickeln, indem sie Algorithmen der künstlichen Intelligenz einsetzten. Sie standen vor einem typischen Problem der Metallurgie: In der Regel gilt, je fester der Stahl, desto spröder ist er, während flexiblerer Stahl in der Regel schwächer ist. Es gelang jedoch, ein Material zu schaffen, das beide Eigenschaften vereint.

Um dies zu erreichen, „trainierten“ die Wissenschaftler den Algorithmus, indem sie Daten zu 81 physikalischen Eigenschaften von Metallen hochluden, darunter Parameter wie Atomgröße, Verhalten von Elektronen und Schallgeschwindigkeit im Material. Auf Basis dieser Daten konnte die künstliche Intelligenz Muster erkennen und die optimale Zusammensetzung der neuen Legierung vorschlagen.

Die neue Legierung besteht aus Eisen, Chrom sowie kleinen Mengen von Nickel, Mangan, Kupfer, Silizium, Aluminium und Kohlenstoff. Alle diese Elemente sind relativ kostengünstig und verfügbar, was das neue Material für die Industrie noch attraktiver macht. Die gewonnene Legierung wurde verwendet, um Teile mittels Lasertechnologie zu drucken, bei der Metallpulver geschmolzen und schichtweise aufgetragen wird.

Nach Abschluss des Druckprozesses benötigten die Teile etwa sechs Stunden für die Nachbearbeitung. Dies ist deutlich weniger Zeit als normalerweise für hochqualitativen Stahl erforderlich ist, der mehrere Phasen der Wärmebehandlung erfordert, die Tage in Anspruch nehmen und erhebliche Ressourcen benötigen können.

Die Festigkeit des neuen Materials wird durch das Vorhandensein von Nanopartikeln in seiner Struktur gewährleistet, die die Ausbreitung von Rissen unter Last hemmen. Darüber hinaus gibt es in der Legierung spezielle Zonen, die als Dämpfer fungieren: Sie verformen sich und reduzieren das Risiko von Bruch während des Einsatzes.

Die Korrosionsbeständigkeit der neuen Legierung wird durch die gleichmäßige Verteilung von Chrom im Metall erreicht. Kupferpartikel tragen ebenfalls dazu bei, das Chrom an Ort und Stelle zu halten, was die Bildung von schwachen Stellen, an denen Rost entstehen könnte, verhindert.

Bei Tests zeigte der neue Stahl eine beeindruckende Festigkeit von etwa 1730 Megapascal sowie eine Dehnbarkeit von 15,5 % vor dem Bruch. Dies ist etwa 30 % besser als bei Materialien, die ohne zusätzliche Bearbeitung gedruckt wurden.

Die Forscher sind der Ansicht, dass die neue Legierung großes Potenzial in Bereichen wie Luftfahrt, Energie, Militärindustrie und Maschinenbau hat. Insbesondere könnte sie zur Herstellung leichterer und festerer Teile für Flugzeuge, Windkraftanlagen und Rohrleitungen verwendet werden, was die Effizienz und Zuverlässigkeit dieser Konstruktionen erheblich steigern könnte.