Ätztechnik erhöht die Absorptionsfähigkeit von Pulvern für den 3D-Druck von Metallen

Forschende des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) und ihre akademischen Partner haben eine Technik entwickelt, die das optische Absorptionsvermögen von Metallpulvern für den 3D-Druck verbessert.

Die Methode, bekannt als Holographic Direct Sound Printing (HDSP), basiert auf der Schaffung nanoskaliger Oberflächenstrukturen auf Metallpulvern wie Kupfer und Wolfram. Diese Strukturen ermöglichen eine um bis zu 70 % höhere Absorption von Laserenergie während des Laser-Pulverbett-Fusion (LPBF)-Prozesses. Durch ein spezielles Nasschemie-Ätzverfahren entstehen feine Rillen und Texturen, die die Energieübertragung optimieren, ohne die Materialeigenschaften der Metalle zu beeinträchtigen.

„Derzeit wird die Herstellung von hochwertigem, reinem Kupfermetall mit handelsüblichen laserbasierten Maschinen im Allgemeinen als undurchführbar angesehen“, sagt Philip DePond, Co-Autor und LLNL-Materialwissenschaftler. „Unsere Methode kombiniert die Effekte traditioneller Oberflächenbehandlungen [die das Absorptionsvermögen erhöhen], beeinträchtigt aber nicht die Reinheit oder die Materialeigenschaften von Kupfer, die es so begehrt machen – nämlich seine hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit. Grundsätzlich haben wir gezeigt, dass sich die Wechselwirkungen zwischen Laser und Pulver auch auf Bereiche außerhalb des Schmelzbades erstrecken. Dies wurde in Simulationen gezeigt, insbesondere in den High-Fidelity-Simulationen des LLNL, aber experimentell nicht wirklich detailliert. Wir haben gezeigt, dass diese Wechselwirkungen existieren und für den Prozess von Vorteil sein können.“

Ein wesentlicher Vorteil der neuen Technik liegt in der erweiterten Druckgeschwindigkeit und der geringeren Energieaufnahme. In Tests konnten hochreine Kupferstrukturen mit weniger als 100 J/mm³ Energieverbrauch hergestellt werden, was etwa einem Drittel weniger Energie als herkömmliche Verfahren entspricht. Dies reduziert nicht nur die Betriebskosten, sondern minimiert auch den ökologischen Fußabdruck der Fertigung.

Im weitesten Sinne ermöglichen wir das Drucken von Kupfer, ohne das Risiko, das AM-System selbst zu beschädigen“, erklärte DePond. „Das Fenster der Prozessparameter wird ebenfalls breiter, wodurch eine größere Vielfalt an Scanbedingungen erforscht werden kann, die oft beim Drucken komplexer Geometrien erforderlich sind. Schließlich haben sich einige Maschinenhersteller sogar die Mühe gemacht, völlig neue Maschinen für die Verarbeitung von Kupfer und anderen stark reflektierenden Materialien zu entwickeln. Diese sind fast doppelt so teuer wie eine herkömmliche Maschine, so dass die Einstiegshürde für den Druck dieser Materialien unerschwinglich hoch ist.

Darüber hinaus ermöglicht die präzise Kontrolle der akustischen Hologramme die gleichzeitige Produktion mehrerer Objekte an verschiedenen Positionen im Druckraum. Dies eröffnet neue Anwendungsbereiche, beispielsweise in der Medizintechnik für die Herstellung komplexer Gewebe oder in der Luft- und Raumfahrt für die Reparatur empfindlicher Bauteile.

„Mit dieser Methode können sogar kommerzielle Maschinen mit relativ geringer Laserleistung Kupfer drucken, wodurch der Prozess demokratisiert und einer breiteren Gemeinschaft zugänglich gemacht wird“, sagte Dan Flowers, Leiter des Energiesicherheitsprogramms, und fügte hinzu: “Vom Wärmeaustausch bis zur Katalyse unterstützt das effizientere Drucken von Kupfer die Entwicklung vieler sauberer Energie- und Dekarbonisierungstechnologien. Die LLNL-Gemeinschaft und unsere Mission für kohlenstoffarme Energie werden von dieser Fähigkeit profitieren.“

Mit dieser Innovation positioniert sich LLNL erneut als Vorreiter in der Weiterentwicklung der additiven Fertigungstechnologien, indem sie nachhaltigere und effizientere Produktionsprozesse ermöglicht.