Passwort vergessen?  | 
 |  Passwort vergessen?  | 
Suche
  • Login
  • Login

Dienstag, 12. Dezember 2017

Werkstoffe

3-D-Drucker wird Brutkasten für neue Materialien

Von Stefan Asche | 10. August 2017 | Ausgabe 32

Mit additiven Fertigungstechnologien werden neuartige Metalle erzeugt und verarbeitet. Die Potenziale sind groß. Zwei Experten erläutern den Forschungsstand.

BU Metallpulver
Foto: Airbus APWorks GmbH

Duktil wie Titan und leicht wie Aluminium: „Scalmalloy“ ist derzeit noch der einzige kommerzielle Werkstoff, der speziell für den 3-D-Druck entwickelt wurde.

Die Welt der Metalle wächst. „Es öffnet sich gerade eine Tür“, verheißt Unternehmensberater Bernhard Langefeld. „Was dahinter liegt, ist noch nicht absehbar. Aber das Potenzial, das der 3-D-Druck uns bietet, ist riesig.“ Der Experte für Produktionstechnologien bei Roland Berger verweist auf die Geschichte: „Wir hatten gut 3000 Jahre Zeit, den Metallguss zu verstehen. Dieser langen Ära stehen erst wenige Jahre gegenüber, in denen die Prozesssicherheit beim 3-D-Druck so groß ist, dass systematisch neue Legierungen entwickelt werden können.“

In das gleiche Horn bläst auch Johannes Henrich Schleifenbaum, Inhaber des Lehrstuhls „Digital Additive Production“ an der RWTH Aachen und Leiter des Bereichs „Generative Verfahren und funktionale Schichten am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT. „Bisher wurde versucht, bekannte Stähle druckbar zu machen. Der Prozess wurde also stets dem Material angepasst.“ Die umgekehrte Richtung sei noch ziemlich unerforscht. „Bislang gibt es erst einen einzigen kommerziellen Werkstoff, der explizit für den 3-D-Metalldruck entwickelt wurde.“ Dabei handele es sich um „Scalmalloy“ der Airbus APWorks GmbH.

„Basis von Scalmalloy ist eine Aluminiumlegierung mit Scandium-Bestandteilen.“ Nach dem Druckprozess würden die Bauteile einer Wärmebehandlung zugeführt. „Dabei entstehen Scandium-Ausscheidungen innerhalb des gesamten Volumens.“ Erreicht werde dies durch die homogene Verteilung des Scandiums im ursprünglichen Metallpulver. „Die Ausscheidungen sorgen für eine erhöhte Festigkeit.“ Laut Hersteller des Materials sind die Bauteile „duktil wie Titan“ und zugleich „leicht wie Aluminium“.

Forscher in aller Welt setzen angesichts solcher Werte auf den 3-D-Druck, um neue Materialien zu entwickeln. Große Hoffnungen ruhen beispielsweise auf metallischen Gläsern. Ihre Besonderheit: Sie weisen auf atomarer Ebene keine kristalline, sondern eine amorphe Struktur auf. „Das macht sie härter und fester als normale Metalle“, so Schleifenbaum. „Wegen fehlender Korngrenzen zwischen Einzelkristalliten sind sie außerdem extrem korrosionsbeständig.“

Das Feld möglicher Einsatzbereiche der metallischen Gläser ist entsprechend groß – jedenfalls theoretisch. „Im Automobilbau könnten sie beispielsweise bei den Fahrwerksfedern Verwendung finden“, so Langefeld. „Dank der besonderen Federeigenschaften des Materials könnte die Zahl der Windungen halbiert werden – mit einer entsprechenden Gewichtsersparnis.“

In der Praxis erweisen sich die amorphen Metalle für solche Massenanwendungen aber bislang als zu teuer. Und großvolumige Formen lassen sich mit ihnen bisher gar nicht herstellen. Lediglich dünne Bleche oder Beschichtungen sind konventionell zu wirtschaftlichen Konditionen realisierbar.

Verantwortlich dafür sind die oftmals teuren Legierungsbestandteile und insbesondere der aufwendige Herstellungsprozess: „Nötig sind extreme Abkühlraten“, erklärt Schleifenbaum. Nur durch „Schockfrosten“ ließen sich die Atome daran hindern, eine Kristallanordnung einzunehmen. „Die Schmelze muss mindestens 1000 Kelvin pro Sekunde verlieren“, so der Aachener. Innerhalb massiver Strukturen sei dies unmöglich. Denn die Wärme könne nicht schnell genug vom Inneren nach außen abtransportiert werden.

Die Lösung dieses Problems könnte im 3-D-Drucker liegen. „Er erlaubt es, den Erstarrungsprozess anders zu steuern als im klassischen Guss“, so Langefeld. „Denn das Schmelzvolumen ist immer nur winzig klein – und die Abkühlrate entsprechend groß.“ Problematisch sei aber, dass einzelne Punkte im Pulverbett mehrfach erhitzt würden – nämlich dann, wenn die nächste Schicht selektiv verschmolzen werde. Im ungünstigsten Fall könne es dann doch noch zur Kristallbildung kommen. „Um das zu verhindern, muss das Temperaturmanagement des gesamten Bauteils in Design und Fertigung berücksichtigt werden“, so Schleifenbaum. Die Anlagensteuerung sei insgesamt sehr komplex – aber erste kommerzielle Lösungen seien verfügbar.

Eine große Schwäche haben die amorphen Metalle aber doch: Sie sind wenig warmfest. Ab etwa 500 °C kristallisiert der Werkstoff und verliert seine besonderen Eigenschaften. „Für Turbinen ist er also nicht geeignet“, so Langefeld.

Helfen könnte eine andere Materialklasse, die sich ebenfalls im 3-D-Drucker erzeugen lässt: Hochentropie-Legierungen (High Entropy Alloys, kurz HEA). Im Gegensatz zu herkömmlichen Metalllegierungen bestehen sie nicht nur aus einem Hauptelement, dem zahlreiche weitere Komponenten beigemengt werden. „Sie setzen sich stattdessen aus vier bis fünf gleichverteilten Elementen zusammen“, so Schleifenbaum. Ein Beispiel ist eine weitgehend homogene Mischung aus Eisen, Kobalt, Chrom, Nickel und Mangan – die sogenannte Cantor-Legierung. Werden solche Legierungen auf herkömmlichem Weg hergestellt, so können sie bis 1400 °C noch eine Festigkeit von 600 MPa haben. „Werden sie aber stattdessen auf dem Drucker verschmolzen, so kann die Festigkeit sogar noch um mindestens 50 % gesteigert werden“, weiß der Experte. „Möglich ist dies, weil die einzelnen Bestandteile im Pulverbett sehr gleichmäßig verteilt werden können.“ Je nach Wahl der Legierungselemente ließen sich Materialien konzipieren, die sowohl fest als auch duktil sind.

Gegenstand von Forschung ist derzeit außerdem der Druck monokristalliner Strukturen. Sie entstehen, wenn es in der Schmelze nur einen einzigen Keimbildner gibt, von dem aus das Metall langsam „gefriert“. Ihr Vorteil: Da sie nahezu keine Korngrenzen oder andere Strukturfehler besitzen, sind sie besonders belastbar und heißgasfest. Interessant sind sie damit etwa für die Herstellung von Turbinenschaufeln.

„Auf der traditionellen Gussroute wird ihre Erzeugung sicher beherrscht“, so Langefeld. „Um Zeit und Kosten bei der Prototypenherstellung einsparen zu können, wäre es aber begrüßenswert, wenn man sie auch drucken könnte oder später sogar in Serie per 3-D-Druck produziert.“ Der Berater geht davon aus, dass es bis dahin noch ein paar Jahre dauern wird. Dazu Schleifenbaum: „Die Kunst besteht darin, dass sich über alle Schichten hinweg nur ein einziges Korn bildet.“ Bei kleineren Volumina sei dies Siemens bereits geglückt. „Größere Strukturen sind aber meines Wissens nach bisher Ausnahmen.“

In der Grundlagenforschung befinden sich auch oxiddispersionsverfestigte Stähle, kurz ODS-Stähle. Erste Versuche ihrer Herstellung wurden in der Nukleartechnik angestoßen. „Herkömmliche Stähle in Kernkraftwerken ermüden durch Neutrinobeschuss“, so Schleifenbaum. „Deshalb würde man gerne – auch im Hinblick auf künftige Fusionsreaktoren – in Richtung ferritischer Stähle gehen.“ Denen aber fehle u. a. die nötige Hochtemperaturfestigkeit. „Dieses Manko soll mit Oxiden – häufig Yttrium-Oxiden – beseitigt werden.“ Wichtig sei auch hier deren homogene Verteilung. „Und wo erreicht man sie am besten? Im 3-D-Drucker!“

stellenangebote

mehr