Neue 3D-Drucktechnik könnte Oxidation in einen Vorteil verwandeln

Professor Changhong Ke erhält ein NSF-Stipendium für die Erforschung des Potenzials des Einbaus von Nanoröhren in additiv gefertigte Metalle.

Ein wesentlicher Gegner von Ingenieur*innen bei der Konstruktion mechanischer Systeme mit Metall ist die Oxidation. Diese chemische Reaktion führt zur Bildung von Rost und anderen Problemen, die die Effizienz und Langlebigkeit der Geräte beeinträchtigen können. Additiv gefertigte Metalle, die Fortschritte in Bereichen wie Luft- und Raumfahrt, Schifffahrt und Automobilbau ermöglicht haben, sind in korrosiven Umgebungen besonders anfällig für Ausfälle. Der 3D-Druckprozess erhöht die Porosität im Vergleich zu herkömmlich hergestellten Metallen.

Was wäre, wenn Metalle durch Oxidation stärker gemacht werden könnten? Dieser Gedanke steht im Mittelpunkt der neuen Forschung an der Thomas J. Watson School of Engineering and Applied Science der Binghamton University. Professor Changhong Ke vom Department of Mechanical Engineering untersucht die Möglichkeit, Nanotuben in additiv hergestelltes Aluminium einzubauen. Er glaubt, dass mikroskopische Strukturen aus Bornitrid, einer Verbindung, die in Kosmetika, Bleistiftminen und Zement für Zahnfüllungen verwendet wird, das Material unter korrosiven Bedingungen selbstverstärkend machen könnten.

„Man kann die Oxidation nicht vermeiden, also versuchen wir, sie zu nutzen, indem wir sie in einen neuen, verstärkenden Mechanismus umwandeln, um das Material stärker zu machen“, sagte Professor Changhong Ke, Fakultätsmitglied am Fachbereich Maschinenbau des Watson College. „Das wäre etwas wirklich Erstaunliches. Man könnte versuchen, die Materialien so zu gestalten, dass sie diese Art von Porosität aufweisen, oder sogar absichtlich Strukturen einführen, die leichter oxidiert werden können, weil es dem Material selbst nicht schadet, sondern nützt.“

Die Nanotuben, die durch das Metall gezogen werden, sind nur wenige Nanometer dick und einige bis mehrere hundert Mikrometer lang. Um zu sehen, wie die Oxidation die Bindung der Nanotuben an das Metall verändert – ein zentrales Thema im Selbstverstärkungsmechanismus – wird Ke’s Team einen Kraftsensor verwenden, um einzelne Nanotuben aus dem oxidierten Metall in einem hochauflösenden Rasterelektronenmikroskop zu ziehen. Dadurch können sie die Vorgänge in Echtzeit beobachten.

„Wir haben dies als Sandwich-Struktur entworfen“, sagte er. „Es ist wie ein Hot Dog, mit den Nanoröhrchen als Fleisch und dem Metall als Brot.“

Die Forschenden werden das Material auch im makroskopischen Maßstab testen, um zu verstehen, wie die Oxidation die Steifigkeit, Stärke und Zähigkeit des nanotubenverstärkten Metalls beeinflusst. Mitarbeitende der University of Illinois werden Ke’s experimentelle Ergebnisse durch computergestützte Modellierungen bestätigen.

„Wir hoffen, dass dies der wissenschaftlichen Gemeinschaft eine neue Perspektive für die Betrachtung der Metalloxidation im Hinblick auf das zukünftige Materialdesign bietet“, sagte er. „Das könnte die Forschungslandschaft für diese Metallmaterialien verändern, insbesondere für 3D-gedrucktes Metall. Es gibt so viele vielversprechende Anwendungen in verschiedenen Bereichen, und es könnte sogar die Wettbewerbsfähigkeit der US-amerikanischen Produktion wiederbeleben.“