4 maßgeschneiderte Materialien für die additive Fertigung

Mit dem anhaltenden Wachstum der additiven Fertigung haben Unternehmen und Forscher verschiedene Teiltechnologien, Add-Ons und Mittel zur Optimierung von Drucken entwickelt. Ein weiteres Mittel zum Erreichen eines optimierten Ziels besteht jedoch darin, das verwendete Material zu optimieren. Dies hat zu verschiedenen Materialien für den 3D-Druck geführt, die alle ideale Eigenschaften aufweisen, die durch präzise Steuerung erreicht werden.

Einige dieser Materialien wurden sehr speziell für oder mit dem 3D-Druck entwickelt und präsentieren die Technologie damit mit neuen, neuartigen Eigenschaften und Merkmalen. Hier sind einige der vielversprechendsten Materialien:

Skalmalloy

Bildnachweis:Beamler

Diese Mischung aus Scandium (SC), Aluminium (AL) und Magnesium (M), die als erstes speziell für den 3D-Druck entwickeltes Originalmaterial angepriesen wird, ist in einer einzigen Legierung verschmolzen. Das Material wurde ursprünglich von APWorks, einer Tochtergesellschaft der Airbus-Gruppe, entwickelt und patentiert. Als Metalldruckmaterial weist es einige einzigartige Merkmale auf, wie z. B. erhöhte Festigkeit (hauptsächlich aufgrund des Vorhandenseins von Scandium).

In Bezug auf die Festigkeit kann es herkömmliches Aluminium und viele seiner abgeleiteten Legierungen übertreffen. Es ist sogar stärker als Titan in Verbindung mit geringem Gewicht und Korrosionsbeständigkeit. Natürlich kann die Herstellung des Materials teuer sein, da es Scandium enthält, ein seltenes Metall, das auch teuer aus seinen Erzen gewonnen werden kann. Die Preise für Scandium können zwischen 4.000 und 20.000 US-Dollar pro Kilogramm schwanken, wobei die Hauptabbaustandorte in China und Russland liegen.

Scalmalloy ist am nützlichsten für hochbelastbare, langlebige Teile. Aus diesem Grund wird es in der Automobilindustrie und Robotik immer beliebter, oft als Teil von Wärmetauschern. Wie man vermuten könnte, spielt Scalmalloy auch in seiner Ursprungsindustrie, der Luft- und Raumfahrt, eine zentrale Rolle.

NewGen SLM-Materialien

Bildnachweis:TU Graz        

Dieses Metall wurde von der österreichischen TU Graz zur Verfügung gestellt, die eine Mischung aus Siliziumnitrid auf die Entwicklung von Edelstahl für Metall-AM auftrug. Sie werden als NewGen SLM-Materialien bezeichnet und bieten kontrolliertere Reaktionen während des Bildungsprozesses, was zu einer verbesserten Oberflächenbeschaffenheit führt und den Bedarf an Stützen minimiert. 316L-Edelstahl ist eines der am häufigsten verwendeten Materialien, das in zahlreichen Branchen weltweit eingesetzt wird, und die NewGen-Version bietet verbesserte Eigenschaften speziell für das Drucken mit Selective Laser Melting.

Die Forscher testeten verschiedene Versionen der modifizierten Edelstahlmischung mit mehreren Mischungen. Beim Testen anderer Materialien auf mechanische Eigenschaften und Porosität kamen sie zu dem Schluss, dass Verzerrungen beim Sintern durch strenge Kontrolle des darin enthaltenen Siliziumnitrids und Bors reduziert werden konnten. Diese Ergebnisse veröffentlichten sie in dem wissenschaftlichen Artikel „Improving the Dimensional Stability and Mechanical Properties of AISI 316L + B Sinters by Si3N4 Addition“.

Da Boride die Dichte des Sinters erhöhen, fügen sie sich nicht gut in Materialien auf Eisenbasis ein. Dadurch können sich unerwünschte Schichten um das Partikel herum bilden. Siliziumnitrid mildert diesen Faktor und führt zu einer besseren Oberflächenveredelung. Die Forscher haben das Metallpulver modifiziert, um nicht nur bessere mechanische und Endanwendungseigenschaften zu erzielen, sondern auch, damit NewGen SLM-Materialien weniger Stützstrukturen benötigen. Dabei kann der modifizierte Edelstahl noch leichter sein als herkömmliche Metalldrucke.

Derzeit vermarkten die Forscher dieses spezielle Material noch. Sie erweitern diese Forschungslinie auch, um andere solche Materialien zu testen, die auf ähnliche Weise profitieren könnten. Ihre Arbeit wurde bekannt und sie arbeiten mit einem Spin-off-Stipendienprogramm zusammen, um ein richtiges Start-up zu gründen.

3D-gedruckte hochfeste Aluminiumlegierung

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Dieser besondere Aluminiumstamm wurde von HRL Laboratories erfunden und vor kurzem kommerzialisiert und von der Aluminium Association registriert. Das additiv hergestellte hochfeste Aluminium war auch die allererste Registrierung einer solchen Legierung durch die Aluminium Association und erhielt die Registrierungsnummer 7A77.50 für das Aluminiumpulver und die Nummer 7A77.60L für die gedruckte Legierung selbst.

Dieses Material war auch insofern etwas Besonderes, als es bereits im Februar 2019 das neue Registrierungssystem für additive Legierungen des Verbandes markierte. Dies war eine direkte Folge der verschiedenen neuen Materialien, die aufgrund der Möglichkeiten der additiven Fertigung auftauchten. Dies war die erste druckbare Legierung ihrer Art.

Chemisch wurde die Legierung unter Verwendung der Nanopartikel-Funktionalisierungstechnik von HRL entwickelt. Dieses spezielle Material verwendet Nanopartikel auf Zirkoniumbasis, der eigentliche Vorteil dieser Art der Materialherstellung besteht jedoch darin, dass es auf eine Vielzahl anderer Metalle und Legierungen angewendet werden kann, die oft als nicht druckbar gelten. Infolgedessen untersucht HRL auch die verschiedenen anderen Möglichkeiten, wie neue Materialien in die Welt des 3D-Drucks gebracht werden können.

Kristallographie, Metamaterialien und die steifste Kunststoffstruktur der Welt

Bildnachweis ETH Zürich/MIT

Bei neuen Materialanordnungen geht es nicht immer darum, ein neues Material zu entdecken oder die chemische Zusammensetzung eines Materials zu ändern, um es druckbar zu machen, wie die vorherigen Beispiele zeigen. Manchmal kann eine neue Art der Verwendung vorhandener Materialien etwas Außergewöhnliches bieten. Dies war bei verschiedenen Materialstrukturen der Fall, die Materialien enthalten, die so strukturiert sind, dass sie spannende Ergebnisse liefern.

Als Beispiel sei ein gemeinsames Projekt zwischen dem MIT und der ETH Zürich genannt. Die Forscher schufen ein Material mit dem höchstmöglichen Verhältnis von Steifigkeit zu Gewicht, indem sie die Konstruktion von Kunststoffen im Nanomaßstab neu anordneten. Dies führte zu einem Material, das sehr steif war und diese Steifheit auch mit einem relativ geringen Gewicht ausbalancierte. Im Wesentlichen hatten sie das steifstmögliche Material entwickelt, das ziemlich nahe an den theoretischen Grenzen liegt, die die Physik zulässt, indem sie einfach die Art und Weise optimieren, wie seine Mikrostruktur angeordnet ist.

Dieses Verhältnis von Steifigkeit zu Gewicht ist entscheidend für hochfeste medizinische Implantate, Flugzeuge und Rennwagen. Wie bereits erwähnt, liegt die Hauptidee weniger im verwendeten Material als vielmehr in der Konstruktion im Mikromaßstab. Durch die Verwendung von komplizierten Mustern von Traversen, Gürteln und Bögen maximierten die Forscher Kraft und Ausdauer.

In ähnlicher Weise erforschten die Forscher der University of Sheffield und des Imperial College die Verwendung neuartiger Mikrostrukturen in Drucken, um die Haltbarkeit zu verbessern, in der Hoffnung, neue Möglichkeiten zum Drucken von Legierungen zu schaffen. Ihre Arbeit an der Verwendung kristallografischer Metamaterialien nutzte die Computer-Atommodellierung, um diese nie zuvor gesehenen Strukturen zu erzeugen. Diese Kristallstrukturen, wie sie sie beschrieben haben, führen zu Drucken, die ohne Korngrenzen auskommen, kontinuierlich und ununterbrochen sind. Dies verleiht dem Enddruck eine bessere Schadenstoleranz, Festigkeit und Zähigkeit.

Solche Materialien haben periodische Anordnungen von Knoten und Streben, was sie leicht macht, während sie eine Kombination von Eigenschaften aufweisen, die in herkömmlichen Festkörpern nicht vorkommen. Indem sie die Härtungsmechanismen kristalliner Materialien nutzten, um Materialien zu entwickeln, die robust und schadenstolerant sind, schufen sie druckbare Materialien, die die subtraktive Fertigung unmöglich handhaben könnte.

Eine ähnliche Idee durchdringt den Bereich des 4D-Drucks, wo Mikrostrukturen so fein ausbalanciert sind, dass sie durchschnittliche Materialien in Roboter oder funktionale Gegenstände mit verschiedenen Anordnungen verwandeln. Der 3D-Druck bietet oft diese Fähigkeit, die kleinsten Details zu basteln, bis sie einem entworfenen Zweck dienen, und fördert die Schaffung neuer Formen in der Welt der Fertigung und Forschung.