„Alloys for Additive Manufacturing“-Symposium: Neue Metalle für den 3D-Druck

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3D-printer (Foto: principe-sad / Pixabay)

Dübendorf, Schweiz — Weltpremiere an der Empa: Am 11. und 12. September versammelten sich Forschende aus Europa, Asien und den USA zur ersten Konferenz zur Werkstoffforschung für den industriellen 3D-Druck mit Metallen. Additive Fertigung ist das Schlagwort der Stunde in der produzierenden Industrie: Statt gegossen, gefräst oder geschmiedet wird das Objekt Schicht für Schicht aus Metallpulver und Laserlicht oder einem fokussierten Elektronenstrahl aufgebaut. So entstehen Materialen mit Eigenschaften, die völlig anders als bei konventionell gefertigten Werkstoffen sind. Und Legierungen, deren Recycling weitere Fragen stellen dürfte.

Mittels additive Fertigung lassen sich Bauteile mit fast jeder beliebigen geometrischen Struktur realisieren. Dies eröffnet ganz neue Möglichkeiten: etwa Bauteile für Flugzeuge, die leichter und gleichzeitig fester sind. Zwar wird diese Fertigungsmethode bereits vielerorts kommerziell angewendet – doch komplett ausgereift ist sie noch lange nicht. Es gibt noch viele Details zu erforschen und zu verstehen, nicht zuletzt, wenn es um die verwendeten Materialen selber geht: Was geschieht durch den schichtweisen Aufbauprozess mit der inneren Struktur der Legierungen? Welche Materialen eignen sich überhaupt für diese Fertigungsmethode? Und: Ist es möglich, durch „Additive Manufacturing“ ganz neue Materialen zu kreieren, die zum Beispiel den herkömmlichen Schmelz- und Gussprozess nicht überstehen würden?

Eine neue Austauschplattform für Forschende

Diesen Fragen widmete sich das erste „Alloys for Additive Manufacturing“ Symposium (AAMS), das am 11. und 12. September über 100 Forschende aus Europa, den USA und Asien an die Empa nach Dübendorf lockte. Die Konferenz ins Leben gerufen haben Christian Leinenbach, der an der Empa die Forschungsgruppe „Alloy Design for Advanced Processing Technologies“ leitet, sowie Eric Jägle vom Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE) in Düsseldorf. „Wir wollen mit der Konferenz gezielt die Materialforschenden zusammenbringen, die sich mit dem Verständnis der mittels ‚Additivem Manufacturing‘ aufgebauten Legierungen einerseits und mit der Entwicklung neuer Legierungen andererseits beschäftigen“, so die beiden Forscher.

Ungewohnte Mikrostrukturen

Dass die Konferenz hochkarätig besetzt war, kommt nicht von ungefähr: Während in der Forschung zu „Additive Manufacturing“ der Fokus in den letzten Jahren hauptsächlich auf der Fertigungsmethode lag, rücken nun die verwendeten Legierungen immer stärker ins Zentrum der Forschung. Denn viele kommerziell verwendete metallische Werkstoffe wurden für herkömmliche Prozesse wie Giessen oder Schmieden optimiert. Durch den Fertigungsprozess per Laser oder Elektronenstrahl werden die Werkstoffe aber einem ganz anderen Zeit-Temperatur-Profil ausgesetzt: Nachdem der Laser das Metallpulver an einem bestimmten Punkt geschmolzen (und sich weiterbewegt) hat, kühlt die Schmelze im Vergleich zu herkömmlichen Prozessen viel schneller wieder ab. Wird dann die nächste Schicht darauf aufgebaut, erhitzt sich die zuletzt geformte Schicht erneut bis knapp unter den Schmelzpunkt und kühl sich genauso schnell wieder ab. Dieser Zyklus wiederholt sich, bis das Bauteil fertig ist; dies stellt spezielle Anforderungen an die eingesetzten Werkstoffe – und führt dazu, dass die Eigenschaften völlig anders als bei konventionell gefertigten Werkstoffen sind.

Neue, zusammengesetzte Werkstoffe

Für die Zukunft entscheidend ist, die zurzeit noch geringe Anzahl an prozessierbaren Legierungen rasch zu erweitern. Im Fokus der Forschung an der Empa stehen unter anderem so genannte Nickel-basierte Superlegierungen – vielversprechende Kandidaten etwa für den Bau von Gasturbinen –, hochfeste Aluminiumlegierungen und Edelmetalle für den Uhren- und Schmuckbereich. Gleichzeitig werden aber auch neue, zusammengesetzte Werkstoffe möglich, die durch konventionelle Fertigungsmethoden kaum realisierbar sind: zum Beispiel Verbindungen aus Metallen und Diamanten, die ein aktuelles Forschungsprojekt an der Empa untersucht.

Quelle: Empa