Funktionsmaterialien verbessern mit Hilfe des 3D-Drucks

Funktionsmaterialien sind für viele Energieanwendungen wie Halbleiter, Elektromotoren und Batterien wichtig, aber ihre Herstellung mit herkömmlichen Methoden ist oft teuer und energieintensiv. Die additive Fertigung könnte dazu beitragen, diese Belastung zu verringern, da hochkomplexe Teile bei Bedarf schnell und mit weniger Energie und weniger Material als bei herkömmlichen Verfahren hergestellt werden können. Der Einsatz von AM für funktionelle Materialien ist jedoch noch weitgehend unerforscht.

Paul Ohodnicki, außerordentlicher Professor für Maschinenbau und Materialwissenschaften an der Universität Pittsburgh, leitete kürzlich eine Beschleunigungsstudie, um den Einsatz der additiven Fertigung für energiebezogene Funktionsmaterialien voranzutreiben. Die Studie, die Schritte in Richtung der Zukunft von Materialien für die Stromerzeugung skizziert, wurde von der Minerals, Metals and Materials Society (TMS) im Auftrag des U.S. Department of Energy (DOE) Office of Energy Efficiency and Renewable Energy-Advanced Manufacturing Office organisiert.

“Wir wollten Bereiche identifizieren, in denen wir eine intellektuelle Führungsrolle einnehmen können, und insbesondere darlegen, wie der Bereich der funktionalen Materialien dazu beitragen kann, uns auf dem Weg zur Dekarbonisierung voranzubringen”, sagte Ohodnicki, der als Vorsitzender des Studienteams fungierte. “Dies ist ein wichtiger Bereich, der schnell wächst, aber wir befinden uns noch in der Anfangsphase der Anwendung der additiven Fertigung auf Funktionsmaterialien. Da es sich um ein frühes Stadium handelt und verschiedene Materialien benötigt werden, gibt es eine Menge einzigartiger Aspekte, die berücksichtigt werden müssen.”

Funktionsmaterialien sind oft teuer und energieintensiv in der Herstellung mit herkömmlichen Methoden. Wenn Materialwissenschaftler und Ingenieure die Vorteile von AM für funktionelle Materialien nutzen können, könnten die Kosten gesenkt und die Herstellung komplexerer Architekturen ermöglicht werden.

Ein weiterer Vorteil ist, dass künstliche Intelligenz und computergestützte Modellierung mit AM genutzt werden können, um die Entdeckung neuer Funktionsmaterialien zu beschleunigen. AM bietet auch Vorteile in Bezug auf die Nachhaltigkeit, da im Vergleich zu herkömmlichen Herstellungsverfahren erhebliche Energieeinsparungen möglich sind und weniger Materialabfälle anfallen.

Um diese Vorteile zu erreichen, legt der Bericht eine Reihe von Bereichen für die weitere Forschung fest, darunter ein besseres Verständnis des AM-Designs für funktionelle Materialien, die neuen Prozesse, Methoden und Materialien, die für die Anpassung von AM an funktionelle Materialien erforderlich sind, sowie Methoden für das Recycling und die Wiederverwendung von AM-Ausgangsmaterialien.

Ohonicki fungierte als Vorsitzender des Studienteams dieses Beschleunigungsberichts, während George Spanos, Direktor für neue Initiativen, Wissenschaft und Technik bei TMS, als Projektleiter fungierte. Das Projekt versammelte Experten auf dem Gebiet der additiven Fertigung und der Funktionswerkstoffe aus dem akademischen Bereich, der Industrie und den nationalen Labors, darunter Markus Chmielus, Assistenzprofessor für Maschinenbau und Werkstoffkunde an der Pitt, der als Experte mitwirkte. Gemeinsam hat die Gruppe einen Aktionsplan entworfen, der die Schritte darlegt, die Forscher im Großen und Ganzen unternehmen müssen, um die Technologie voranzubringen, mit dem Ziel, neue Projekte und Initiativen auf diesem Gebiet zu inspirieren. Der gesamte Bericht kann auf der TMS-Website eingesehen werden.

“Dieser Bericht bringt wichtige Experten zusammen, die gemeinsam dazu beigetragen haben, eine Vision für die Möglichkeiten von AM zu entwerfen und die Bereiche zu benennen, in denen am meisten gearbeitet werden muss”, sagte Ohodnicki. “Dies ist ein wichtiger Bereich, und jetzt ist der richtige Zeitpunkt, um den Stand der Technik zusammenzutragen und ihn gemeinsam für die Zukunft der Energiewende zu entwickeln.”

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