Empa erforscht Methode zum magnetischen 3D-Druck

Forscher der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (EMPA) haben eine teilweise magnetische Metallstruktur in 3D gedruckt und dabei nur eine einzige Art von Stahlpulver verwendet, indem sie deren Eigenschaften verändert haben.

Die Forscher haben ein winziges Schachbrett mit 16 Flächen gedruckt. Das besonndere daran ist, dass die Felder unterschiedliche Eigenschaften haben, obwohl das gesamte Werkstück aus einer einzigen Sorte Metallpulver 3D-gedruckt worden ist. Acht Flächen sind magnetisch, acht unmagnetisch. Dafür wurden nur Stärke und Dauer des eingestrahlten Laserlichts variiert.

Als Ausgangsbasis nutzte ein Empa-Team um Ariyan Arabi-Hashemi und Christian Leinenbach eine besondere Sorte Edelstahl, die vor rund 20 Jahren u.a. von der Firma Hempel Special Metals in Dübendorf entwickelt wurde. Der sogenannte P2000-Stahl enthält kein Nickel, sondern rund ein Prozent Stickstoff. P2000-Stahl verursacht keine Allergien und ist für medizinische Zwecke gut geeignet. Er ist besonders hart, was die herkömmliche Bearbeitung mittels Fräsen erschwert. Leider scheint er auch als Basismaterial für den 3D-Laserdruck auf den ersten Blick ungeeignet zu sein. In der Schmelzzone des Laserstrahls wird es schnell sehr heiß. Deshalb verdampft normalerweise ein großer Teil des enthaltenen Stickstoffs, und der P2000-Stahl verändert seine Eigenschaften.

Den Forschern gelang es, diesen Nachteil in einen Vorteil zu verwandeln. Sie modifizierten die Scangeschwindigkeit des Lasers und die Intensität des Laserlichts, das im Metall-Pulverbett die einzelnen Partikel aufschmilzt, und variierten somit gezielt die Größe und Lebensdauer des flüssigen Schmelzpools. Dieser war im kleinsten Fall 200 Mikrometer im Durchmesser und 50 Mikrometer tief, im größten Fall 350 Mikrometer breit und 200 Mikrometer tief.

Der große Schmelzpool lässt viel Stickstoff aus der Legierung verdampfen; der erstarrende Stahl kristallisiert mit einem hohen Anteil an magnetisierbarem Ferrit. Beim kleinsten Schmelzpool erstarrt die Schmelze deutlich schneller. Der Stickstoff verbleibt in der Legierung; der Stahl kristallisiert dann vor allem in Form von nichtmagnetischem Austenit. Im Rahmen des Experiments mussten die Forscher den Stickstoffgehalt in winzigen, millimetergroßen Metallproben sehr präzise bestimmen und die lokale Magnetisierung auf wenige Mikrometer genau messen, ebenso das Volumenverhältnis von austenitischem und ferritischem Stahl. Hierfür kamen eine Reihe hoch entwickelter Analysemethoden zum Einsatz, die an der Empa zur Verfügung stehen.

“Beim 3D-Druck erreichen wir lokal spielend Temperaturen von mehr als 2500 Grad Celsius”, erklärt Leinenbach. “Damit können wir gezielt verschiedene Bestandteile einer Legierung verdampfen – z. B. Mangan, Aluminium, Zink, Kohlenstoff und mehr – und so die chemische Zusammensetzung lokal verändern.” Die Methode ist dabei nicht auf Edelstähle beschränkt, sondern kann auch für viele andere Legierungen nützlich sein.

Leinenbach denkt zum Beispiel an Nickel-Titan-Legierungen, die als Formgedächtnislegierungen (“shape memory alloys”) bekannt sind. Bei welcher Temperatur sich die Legierung an ihre vorgegebene Form erinnert, hängt von gerade einmal 0,1 Prozent mehr oder weniger Nickel in der Mischung ab. Mithilfe eines 3D-Laserdruckers ließen sich Bauteile schaffen, die örtlich gestaffelt auf unterschiedliche Temperaturen reagieren.

Die Möglichkeit, Legierungen mikrometergenau in einem Bauteil zu erzeugen, könnte auch beim Bau neuer, effizienterer Elektromotoren hilfreich sein. Erstmals bietet sich so die Möglichkeit, Stator und Rotor des E-Motors aus magnetisch fein strukturierten Materialien zu bauen, um die Geometrie der Magnetfelder besser auszunutzen.

Der Artikel basiert auf einer Pressemeldung von Empa