3D-Drucken mit Metall und "unmögliche" neue Materialien

Beim Metallaufbau mittels Laser (Laser direct Metal Deposition, LMD) verschmelzen Metallpartikel im Fokusbereich eines Laserstahls. (Bild: Trumpf GmbH + Co. KG)
3D-Druck-Grundlagenforschung an der Empa.
 
Am World Economy Forum (WEF) ist die vierte industrielle Revolution in aller Munde. Eine wichtige Rolle für die "Industrie 4.0" spielt das sogenannte "Additive Manufacturing", 3D-Druck für Metalle und Keramiken. Auch in der Schweiz arbeiten Forschende an dieser Technologie, unter anderem an der Empa (Eindgenössische Materialprüfungsanstalt).
 
Mit der "Industrie 4.0" sollen aus Daten künftig schneller Produkte werden. Bauteile sollen sich künftig 3D-drucken lassen, anstatt dass sie umständlich gegossen, geschnitten und gefräst werden müssen.
 
Heutige 3D-Drucker arbeiten allerdings meist mit Kunststoffen, entsprechend begrenzt seien die mechanischen Eigenschaften und die Temperaturstabilität der so herstellbaren Objekte, schrieb die Materialprüfanstalt Empa kürzlich in ihrem Magazin "Empa Quarterly" zum Thema Advanced Manufacturing. Da solche 3D-Drucker meist zur Herstellung von Modellen verwendet werden, spricht man auch von "Rapid Prototyping".

Für die vierte industrielle Revolution müsse der 3D-Druck sich jedoch weiter entwickeln, damit auch Objekte aus Metallen und Keramiken erzeugt werden können. Mehrere Forschungsgruppen der Empa arbeiten zum Beispiel an verschiedenen Aspekten des Metall-Drucks, die das Magazin vorstellte.

Qualitätskontrolle für Metall-Drucker
Das Team um Patrick Hoffmann, der die Abteilung "Advanced Materials Processing" in Thun leitet, untersucht die Verwendung von Lasern, um Metallpulver gezielt zum Verschmelzen bringt. Durch solches "Laserschweissen" lassen sich kontrolliert Metall-Objekte aufbauen.

Dieser Prozess ist jedoch sehr dynamisch: Mit dem Schmelzen des Metalls ändern sich seine Eigenschaften sprunghaft, zum Beispiel die Menge absorbierter Energie. Verdampftes Material behindert den Laserstrahl und reduziert die auftreffende Energie. So könnte es zu Rissen und Fehlern im produzierten Metallbauteil kommen.

Das langfristige Ziel von Hoffmanns Forschung ist es daher, eine sogenannte "Closed-Loop-Prozesskontrolle" zu entwickeln. Dabei würden sämtliche Vorgänge beim Laserschweissen überwacht und der Laserstrahl automatisch an die neue Situation angepasst, um eine fehlerfreie Produktion zu gewährleisten.

"Unmögliche" Verbundstoffe werden möglich
Forschende um Christian Leinenbach beschäftigen sich hingegen damit, neue Legierungen für den Metall-Druck zu entwickeln. Dabei erschaffen
Probekörper aus Titanaluminid. (Bild: Empa)
er und sein Team auch Komposit-Materialien, die es ohne 3D-Druck gar nicht geben könnte. Dies, weil sich beim Metall-Druck mit Laser völlig andere Abkühlraten ergeben als bei klassischen Gussverfahren.

Neben neuartigen Titan-Aluminium-Legierungen, die zum Beispiel für Flugzeugtriebwerke interessant sind, gelang den Forschenden so auch die Herstellung von Metall-Diamant-Verbundstoffen.

Normalerweise sind diese schwierig herzustellen, da sich Diamanten im Kontakt mit flüssigem Metall auflösen. Beim Verschmelzen mittels Laser-3D-Druck bleiben sie jedoch intakt. Nützlich wäre das Material zum Beispiel für Schleifmaschinen, die Keramikteile bearbeiten.

Schweizer Forschungsengagement
Neben der Empa sind auch die ETHs Zürich und Lausanne, sowie das PSI in der Forschung rund um "Advanced Manufacturing" engagiert. Im Fokusbereich "Fortgeschrittene Produktionsverfahren" wollen die Institutionen ihre interdisziplinären Projekte koordinieren und ausbauen.

Die strategische Planung des ETH-Rats legt dafür Investitionen von insgesamt zehn Millionen Franken im Zeitraum von 2017 bis 2020 fest. Diese sind für Immobilien, neue Professuren und Technologieplattformen vorgesehen. (sda/hjm)