3D-gedruckte amorphe Metalle für Elektromotoren

Forscher der North Carolina State University in den USA haben Teile aus amorphen Metallen am 3D-Drucker hergestellt. Dieser Fortschritt könnte zu Materialien mit höherer Verschleißfestigkeit, Härte und leichter Struktur führen. 

Amorphe Metalle, auch metallisch Gläser genannt, weisen im Gegensatz zu herkömmlichen Silikatgläsern keine kristalline sondern eine amorphe Struktur auf atomarer Ebene auf. Dadurch sind metallische Gläser allgemein härter, korrosionsbeständiger und fester als gewöhnliche Metalle.

“Metallischen Gläsern fehlt die kristalline Struktur der meisten Metalle. Aufgrund ihrer amorphen Struktur verfügen Sie über außergewöhnlich erstrebenswerte Eigenschaften,” erklärt Zaynab Mahbooba, Autorin der Studie und PhD Student and der North Carolina State University.

Die Herstellung metallischer Gläser erfordert eine schnelle Abkühlung, um die Bildung einer kristallinen Struktur zu vermeiden. Daher war es bislang nur möglich dieses Metall geringen Schichtdicken zu gießen. Amorphe Eisenlegierungen können normalerweise nur millimeterdick gegossen werden.

3D-Druck mit amorphen Metallen

Um Objekte mit einer Schichthöhe über dem kritischen Limit herstellen zu können, hat das Team von Mahbooba auf 3D-Druck zurückgegriffen. Damit konnte eine amorphe Eisenlegierung zu einem Objekt mit einer 15 mal höheren Dicke als die kritische Schichtdicke gedruckt werden.

Bei dem angewandten Verfahren handelt es sich um selektives Lasersintern mit Metallpulver. Die dabei verschmolzenen 20µm dicken Schichten kühlen schnell ab, um so eine amorphe Struktur zu ermöglichen. Im Gegensatz zu laminierten Legierungsschichten entsteht so ein solides Objekt aus metallischem Glas.

“Unser Konzeptnachweis zeigt, dass dies möglich ist, sagt Ola Harrysson, Professor für Industrielle Systeme und Ingenieurwesen. “Es gibt keinen Grund, warum dieses Verfahren nicht für jede andere amorphe Legierung zum Einsatz kommen könnten. Eine der derzeitigen Einschränkungen ist die Verfügbarkeit und Produktion von Metallpulvern mit der Zusammensetzung nach der man sucht.”

Ideales Material für Elektromotoren

Metallische Gläser haben großes Potential um für die Herstellung von Elektromotoren zum Einsatz zu kommen, da sie die Abwärme reduzieren und mehr Energie aus den elektromagnetischen Feldern in Strom umwandeln.

Um jedoch die richtige Zusammensetzungen der Legierungen für bestimmte Anwendungen herauszufinden, bedarf es noch an einiger Arbeit.

Die Studie “Additive manufacturing of an iron-based bulk metallic glass larger than the critical casting thickness” wurde in Applied Materials Today veröffentlicht.