Neue Methode könnte Flugzeugteile aus dem 3D-Drucker ermöglichen

Der 3D-Druck hat die Materialwissenschaften nachhaltig verändert. 3D-Drucker kommen in der Medizin zum Einsatz, sie haben das Potential, die Raumfahrt zu verändern, werden in Restaurants eingesetzt und bauen sogar ganze Häuser und Brücken. Was bisher nicht ging, war die Herstellung von Bauteilen aus metallischen Speziallegierungen wie sie etwa im Flugzeug- oder Autobau zum Einsatz kommen im 3D-Drucker. Das Problem: Beim Abkühlen der Legierungen entstanden unzählige Mikro-Risse in dem Material. Forschern aus Amerika gelang es nun, die Bildung dieser Risse zu verhindern. Als Konsequenz könnten bald auch anspruchsvolle Teile für die Luftfahrt mit Hilfe von 3D-Druckern hergestellt werden.

Bild: M. Durant, HRL Laboratories

Nanopartikel verhindern die Rissbildung

Der 3D-Druck ist in vielen Bereichen ein Game-Changer. Mit seiner Hilfe können Bauteile ohne viel Aufwand und individuell hergestellt werden. An den 5.500 verwendeten Metalllegierungen scheiterte das Verfahren bisher jedoch. Dies liegt daran, dass beim Abkühlen der Legierungen große Temperaturunterschiede entstehen, die dazu führen, dass die gedruckten Bauteile ungleichmäßig erstarren und sich Mikrorisse in der Oberfläche bilden.

Ein Team von Forschern rund um John Martin von den HRL Laboratories in Malibu wollte einen Weg finden, diese Rissbildung zu unterbinden. Dazu analysierten sie etwa 4.500 verschiedene Nanopartikel, um zu untersuchen, ob sie sich als Legierungszusatz eignen. Fündig wurden sie im Fall von einer bestimmten Sorte von Zirkon-Nanopartikeln. In Computersimulationen bildeten Legierungen, denen diese Partikel beigemischt wurden, beim Abkühlen gleichmäßige Kornstrukturen ohne Risse.

Erste Praxistests verliefen erfolgreich

Im nächsten Schritt ging es darum, diese Ergebnisse in der Realität zu überprüfen. Dazu verwendeten die Forscher die Aluminium-Legierungen Al7075 und Al6061, die beide unter anderem im Flugzeugbau und im Metallguss eingesetzt werden.

Die Ergebnisse der Simulation hielten der praktischen Überprüfung stand. Durch die Beimischung von einem Prozent der Nanopartikel zu der Legierung gelang es, mit einem 3D-Drucker rissfreie Bauteile aus den Legierungen herzustellen. In keinem der Proben wurden die sonst typischen Mikrorisse gefunden. Stattdessen wiesen alle Bauteile eine sehr gleichmäßige Oberflächenstruktur auf. In Belastungstests konnten die Forscher anschließend bestätigen, dass ihre Bauteile aus dem 3D-Drucker genauso stabil waren wie Bauteile, die auf herkömmliche Art und Weise hergestellt wurden.

„Damit liefert unsere Methode die Basis für eine breite Palette industrieller Anwendungen“, so die Forscher. Mit der Methode können Legierungen, die sich nicht schweißen lassen, problemlos mit einem 3D-Drucker in Form gebracht werden. „Diese Technologie könnte auch in konventionellen Verfahren wie dem Fügen, Gießen und dem Spritzguss verwendet werden. Denn auch in diesen Verfahren stellen Erstarrungsbrüche und Risse häufige Probleme dar“, erklären die Wissenschaftler weiter.

Der Einsatz von 3D-Druckern um Flugzeug- und Autobau könnte diese Industrien mittelfristig komplett umkrempeln und flexibler gestalten.

via Phys.org