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Wissenschaftler der US-Forschungseinrichtung Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) entwickeln derzeit einen neuen Metall-3D-Druck-Prozess, genannt Direct Metal Writing. Mit diesem Verfahren sollen Einschränkungen und Probleme von pulverbasierten Technologien überwunden werden.
Bei den derzeit am häufigsten angewandten Verfahren werden Laser eingesetzt um feines Metallpulver zu verschmelzen oder zu sintern. Zum Teil wird jedoch argumentiert, dass diese Prozesse aufgrund von kleinen Hohlräumen und Defekten, die entstehen, ihre Grenzen haben. Um diese Nachteile auszumerzen hat das LLNL Forscherteam zusammen mit dem Worchester Polytechnic Institute sich dem Direct Metal Writing gewidmet, ein Verfahren bei dem halbfestes Metall direkt durch eine Düse extrudiert wird. Das verwendete Metall wurde dabei so verändert, dass es über eine Strukturviskosität verfügt. Seine Viskosität nimmt bei hohen Scherkräften ab und es kann fließen; bei Stillstand ist das Metall jedoch fest.
“Wir befinden uns auf Neuland,” sagt Erstautor der Studie und LLNL Materialforscher Wen Chen. “Wir bringen ein neues Verfahren der additiven Fertigung voran, dessen man sich bislang nicht bewusst war. Ich denke, dass viele Leute an der Fortsetzung dieser Forschungsarbeit interessiert sind und diese auf andere Legierungen erweitern möchten.”
Die Technologie
Bei der Direct Metal Writing Technologie ist das Ausgangsmaterial im Gegensatz zu Pulver ein Barren, der erhitzt wird bis er einen halbfesten Zustand erreicht. Dabei umgeben feste Metallpartikel flüssiges Metall und es wird ein pastenähnliches Verhalten erzielt. Das Material ist strukturviskos, weil die festen Metallpartikel verklumpen und dieses somit solide ist. Sobald aber Bewegung in Form von Scherung hinzukommt, brechen die Partikel auseinander und das Material agiert wie eine flüssige Matrix. Beim Abkühlen härtet es aus, somit wird laut den Forschern weniger Oxid aufgenommen und das Objekt weist eine geringere Eigenspannung auf.
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Herausforderungen und Zukunftspotential
Auch wenn erste Erfolge vielversprechend sind, steckt die Forschung noch in den Kinderschuhen und es bedarf weiterer intensiver Arbeit um eine höhere Auflösung zu erzielen als auch um andere, in der Industrie häufig verwendete Metalle wie Aluminium und Titan, damit verarbeiten zu können. In der aktuelle Studie “Direct metal writing: Controlling the rheology through microstructure”, die in Applied Physics Letters veröffentlicht wurde, verwendeten die Wissenschaftler eine Bismut-Zinn-Legierung, die über einen niedrigen Schmelzpunkt von nur 300°C verfügt. Laut dem Team waren viele Durchläufe notwendig um den Prozess richtig hinzubekommen. Hinzu kam das Problem der Metall-Dendriten; solide Strukturen die in der Düse steckenbleiben.
“Das Hauptproblem war es den Fluss gezielt zu kontrollieren,” fügt LLNL Ingenieur Andy Pascall hinzu. “Dabei ist eine präzise Kontrolle der Temperatur notwendig. Das Rühren und die Geschwindigkeit dabei macht einen Unterschied. Wenn man das Fließverhalten richtig hinbekommt, hat man es tatsächlich geschafft. Woran wir gearbeitet haben ist das gezielte Verständnis über das Fließverhalten in der Düse. Jetzt verfügen wir über eine so gute Kontrolle, dass wir selbststützende Strukturen drucken können. Das wurde nie zuvor erreicht.”
In der Studie werden die genauen Betriebsbedingungen für den 3D-Druck von Metall direkt durch eine Düse erläutert. Die Forscher sind nun bereits dabei Aluminiumlegierungen zu untersuchen, da diese weitaus interessanter für Industriesektoren wie Luft- und Raumfahrt sowie Transport sind. Die Herausforderung dabei ist allerdings der höhere Schmelzpunkt des Metalls.
LLNL Materialforscher Luke Thronley fügt hinzu:
“Teile aus Metall auf diese Weise herzustellen hat potentielle Bedeutung. Ein Großteil des Aufwands der in Validierung und Analyse von Defekten fließt könnte ausgemerzt werden. Wir könnten mit weniger Material leichtere Teile drucken, was vor allem für die Raum- und Luftfahrt interessant ist.”
