Home Industrie Heiß-isostatische Pressen für den industriellen Metall-3D-Druck

Heiß-isostatische Pressen für den industriellen Metall-3D-Druck

Wenn Metallbauteile aus dem 3D-Drucker kommen, müssen sie oft aufwendig nachbearbeitet werden, insbesondere in sicherheitskritischen Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt. Im Bremer Technologiezentrum ECOMAT möchten Forscherinnen und Forscher mit einer heiß-isostatischen Presse (HIP, auch „HIPpe“ genannt) jetzt die Wärmebehandlung und Verdichtung in einem Prozessschritt kombinieren.

Mit 1.400 Grad Celsius erreicht die HIPpe beinahe den Schmelzpunkt von Eisen. Und mit 2.000 bar ein Druckniveau, als würde das Gewicht von einem 7er BMW auf einer Fingerspitze ruhen. Alles in einer werkzeugkastengroßen Druckkammer, dem Herzstück der neuen HIPpe.

Heiß-isostatische Presse

Heiß-isostatische Pressen kombinieren Hitze und Druck, um in Bauteilen gewünschte Eigenschaften bei Festigkeit, Dichte oder Duktilität (Verformbarkeit) zu erzielen. Der Druck wird dabei über ein Gas (Argon) aufgebaut, das von allen Seiten gleichmäßig auf das Bauteil wirkt, daher der Begriff „isostatisch“.

Das grundsätzliche Prinzip ist keineswegs neu. Schon seit Jahrtausenden nutzt der Mensch Druck und Hitze, um zum Beispiel die Festigkeit von Metallen zu verändern. Das Hämmern und anschließende Abschrecken von rotglühendem Eisen in der Schmiede ist ein anschauliches Beispiel. Heiß-isostatische Pressen verfeinern diesen Prozess für moderne Industrieanwendungen. Sie werden bereits seit mehr als 50 Jahren bei Metallen, Keramiken, Verbundwerkstoffen oder beim Sintern (dem Herstellen von Werkstücken aus Pulvern) angewendet. Mit ihnen lassen sich gewünschte Materialeigenschaften genau einstellen – je nachdem, wie viel Druck und Temperatur sie erzeugen.

Heiß-isostatische Pressen in der additiven Fertigung

Ein neues Anwendungsgebiet für die Presse ist die additive Fertigung. Beim 3D-Metalldruck entstehen prozessbedingt feine Poren, die quasi als unerwünschte Bruchstellen im Material wirken.

Besonders im Flugzeugbau stellen diese Poren ein Sicherheitsrisiko dar, da unter Belastung sich an den Stellen Risse bilden können. Wenn sich 3D-Druck-Bauteile in die Lüfte erheben sollen, müssen sie deshalb aufwendig nachbearbeitet werden. Durch das Zusammenspiel von Druck und Hitze können mit der HIPpe die Poren geschlossen werden.

„Wir können mit der HIPpe die letzten Restporösitäten aus Bauteilen entfernen und gleichzeitig erwünschte Eigenschaften wie Festigkeit oder Verformbarkeit genau einstellen“, erklärt Dr. Anastasiya Tönjes. Abteilungsleiterin Leichtbauwerkstoffe am Bremer Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien – IWT. „Durch die Kombination aus Hitze und Druck können wir mit der HIPpe aber nicht nur die Poren schließen, sondern auch die innere Struktur anpassen, sodass keine anschließende Wärmebehandlung notwendig wäre. Dies hat sowohl ökonomische als auch ökologische Vorteile.“

Standortvorteil ECOMAT für die Luft- und Raumfahrt in Bremen

Tönjes und ihr Team forschen an der neuen HIPpe, die im Bremer Technologiezentrum ECOMAT steht. Ihr Interesse gilt vor allem den Titan-, aber auch Aluminiumlegierungen, die am häufigsten genutzten Metalle im 3D-Druck für Luft- und Raumfahrtanwendungen. Ihr Ziel: Sie wollen Werkstoffe für den Leichtbau verbessern und Herstellungsverfahren optimieren.

„Von diesen Geräten gibt es nur höchstens eine Handvoll in Deutschland. Mit der neuen HIPpe im ECOMAT haben wir einen echten Standortvorteil. Wir freuen uns daher immer, wenn Unternehmen auf uns zukommen und mit uns zusammenarbeiten wollen, um die Möglichkeiten der Technik zu erforschen. Wir stoßen damit auch überregional auf großes Interesse“, so die Abteilungsleiterin weiter.

Die Bremer HIPpe beherrscht übrigens noch einen weiteren beeindruckenden Trick. Die maximale Abkühlgeschwindigkeit vom Druckbehälter liegt bei 3.000 Kelvin (bzw. Grad Celsius) pro Minute. Der Temperatursturz schreckt das heiße Metall in kürzester Zeit ab – was sich auf seine mechanischen Eigenschaften auswirkt. „Wie verändert sich das Bauteil in diesem Prozess? Und wie können wir es für die industrielle Großanwendung nutzen? Daran forschen wir hier am ECOMAT“, so Tönjes.

Der Artikel basiert auf einer Pressemitteilung von ECOMAT.

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