Vier maßgeschneiderte Materialien für additive Fertigungserfolge optimiert

Mit dem anhaltenden Wachstum der additiven Fertigung haben Unternehmen und Forscher diverse Sub-Technologien, Add-ons und Methoden zur Druckoptimierung entwickelt. Ein weiterer Weg zu optimierten Objekten ist die Optimierung des verwendeten Materials. Dies hat zur Entstehung verschiedener für 3D-Druck entwickelter Materialien geführt, die alle ideale Eigenschaften durch präzise Kontrolle aufweisen.

Einige dieser Materialien wurden sehr spezifisch für oder mit 3D-Druck entwickelt und verleihen der Technologie neuartige Eigenschaften. Hier sind einige der vielversprechendsten Materialien:

Scalmalloy

Foto: Beamler

Als erstes originales Material, das speziell für 3D-Druck entwickelt wurde, gilt diese Legierung aus Scandium (Sc), Aluminium (Al) und Magnesium (Mg). Das Material wurde ursprünglich von APWorks, einer Tochtergesellschaft der Airbus Group, entwickelt und patentiert. Als Metall-Druckmaterial weist es einzigartige Eigenschaften wie erhöhte Festigkeit (vor allem durch Scandium) auf.

In puncto Festigkeit übertrifft es traditionelles Aluminium und viele seiner Derivate. Es ist sogar stärker als Titan, dabei leicht und korrosionsbeständig. Natürlich kann das Material aufgrund des Scandiums teuer in der Herstellung sein – Scandium ist ein seltenes Metall, dessen Extraktion kostspielig ist. Preise schwanken zwischen 4.000 und 20.000 US-Dollar pro Kilogramm, Hauptabbaugebiete liegen in China und Russland.

Scalmalloy eignet sich besonders für hochbelastbare, langlebige Teile. Daher wird es in der Automobilindustrie und Robotik populär, oft als Teil von Wärmetauschern. Wie zu vermuten, spielt Scalmalloy auch in seiner Ursprungsbranche – der Luft- und Raumfahrt – eine zentrale Rolle.

NewGen SLM Materialien

Foto: TU Graz

Dieses Metall stammt von der TU Graz in Österreich, die eine Mischung aus Siliziumnitrid anwendete, um ein für Metall-AM dediziertes Edelstahl zu entwickeln. Als NewGen SLM-Materialien bezeichnet, zeigen sie kontrolliertere Reaktionen während des Formgebungsprozesses, was zu verbesserter Oberflächenqualität und minimiertem Stützbedarf führt. 316L-Edelstahl ist eines der am häufigsten verwendeten Materialien mit Anwendungen in zahlreichen Branchen weltweit; die NewGen-Version weist verbesserte Eigenschaften speziell für das Drucken per Selektiven Laserschmelzen (SLM) auf.

Die Forscher testeten verschiedene Versionen des modifizierten Edelstahls mit diversen Mischungen. Bei Tests anderer Materialien auf mechanische Eigenschaften und Porosität kamen sie zu dem Schluss, dass Verzug beim Sintern durch strenge Kontrolle von Siliziumnitrid und Boren reduziert werden kann. Sie veröffentlichten diese Ergebnisse im Fachartikel „Improving the Dimensional Stability and Mechanical Properties of AISI 316L + B Sinters by Si3N4 Addition“.

Da Boride die Dichte des Sinters erhöhen, verschmelzen sie nicht gut in eisenbasierten Materialien. Dadurch können unerwünschte Schichten um die Partikel entstehen. Siliziumnitrid mildert diesen Faktor und führt zu besserer Oberflächenveredelung. Die Forscher modifizierten das Metallpulver nicht nur für bessere mechanische und Endnutzungseigenschaften, sondern auch so, dass NewGen SLM-Materialien weniger Stützstrukturen benötigen. Dadurch kann der modifizierte Edelstahl sogar leichter sein als konventionelle Metalldrucke.

Derzeit kommerzialisieren die Forscher dieses Material noch. Sie erweitern diese Forschungslinie, um andere Materialien zu testen, die ähnlich profitieren könnten. Ihre Arbeit hat Aufmerksamkeit erregt, und sie arbeiten mit einem Spin-off-Fellowship-Programm an der Gründung eines Start-ups.

3D-gedruckte hochfeste Aluminiumlegierung

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Erfunden von HRL Laboratories, wurde diese spezielle Aluminiumlegierung kürzlich kommerzialisiert und von der Aluminum Association registriert. Das additiv gefertigte hochfeste Aluminium markierte auch die erste Registrierung einer solchen Legierung durch die Aluminum Association – Registriernummer 7A77.50 für das Aluminiumpulver und 7A77.60L für die gedruckte Legierung selbst.

Dieses Material war auch deshalb besonders, weil es das neue additive Legierungsregistrierungssystem der Association im Februar 2019 einführte – ein direktes Resultat der durch additive Fertigung ermöglichten neuen Materialien. Es war die erste Legierung ihrer Art, die druckbar war.

Chemisch wurde die Legierung mittels HRLs Nanopartikel-Funktionalisierungstechnik entwickelt. Dieses Material verwendet Zirkonium-basierte Nanopartikel; der eigentliche Vorteil dieser Materialproduktionsart liegt jedoch darin, dass sie auf eine Vielzahl anderer Metalle und Legierungen angewendet werden kann, die oft als undruckbar galten. Daher erforscht HRL auch andere Wege, neue Materialien in die 3D-Druckwelt zu bringen.

Kristallographie, Metamaterialien & die steifste Kunststoffstruktur der Welt

Foto: ETH Zürich/MIT

Neue Materialanordnungen bedeuten nicht immer die Entdeckung eines neuen Materials oder die Veränderung der chemischen Zusammensetzung, um es druckbar zu machen, wie die vorherigen Beispiele zeigen. Manchmal kann eine neue Art der Nutzung bestehender Materialien Außergewöhnliches leisten. So bei diversen Materialstrukturen, die Materialien so anordnen, dass sie spannende Ergebnisse liefern.

Ein gemeinsames Projekt von MIT und ETH Zürich dient als Beispiel. Forscher schufen ein Material mit dem höchsten Steifigkeits-Gewichts-Verhältnis, indem sie die Konstruktion von Kunststoffen auf der Nanoskala umordneten. Das Resultat war ein sehr steifes Material, das diese Steifigkeit mit relativ geringem Gewicht balancierte. Im Wesentlichen hatten sie das steifste mögliche Material entwickelt, nahe an den theoretischen physikalischen Grenzen, indem sie lediglich die Anordnung seiner Mikrostruktur anpassten.

Ein solches Steifigkeits-Gewichts-Verhältnis ist entscheidend für hochfeste Medizinimplantate, Flugzeuge und Rennwagen. Wie bereits erwähnt, liegt die Hauptidee nicht so sehr im verwendeten Material, sondern in der Konstruktion auf Mikroskala. Durch den Einsatz komplexer Muster aus Fachwerken, Gurtungen und Bögen maximierten die Forscher Festigkeit und Ausdauer.

Ähnlich forschten die Universität Sheffield und das Imperial College an der Nutzung neuartiger Mikrostrukturen in Drucken zur Verbesserung der Haltbarkeit, in der Hoffnung, neue Wege des Legierungsdrucks zu schaffen. Ihre Arbeit auf dem Gebiet kristallographischer Metamaterialien nutzte computergestützte Atommodellierung, um diese noch nie gesehenen Strukturen zu erschaffen. Diese Kristallstrukturen, wie sie sie nannten, resultieren in Drucken ohne Korngrenzen – kontinuierlich und ununterbrochen. Dies verleiht dem Enddruck bessere Schadensverträglichkeit, Festigkeit und Zähigkeit.

Solche Materialien weisen periodische Anordnungen von Knoten und Streben auf, sind leicht und zeigen eine Kombination von Eigenschaften, die in konventionellen Festkörpern nicht vorkommen. Indem sie die Härtungsmechanismen kristalliner Materialien nutzten, um robuste, schadentolerante Materialien zu entwickeln, schufen sie druckbare Materialien, die subtraktive Fertigung nicht im Geringsten bewältigen könnte.

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