Einem internationalen Forscherteam gelang es, eine neue SLM 3D-Drucktechnik mit Edelstahl zu entwickeln. Während andere Materialien bereits dehnbar sind, war dies bei Edelstahl bislang nicht der Fall. Mit dem neuen Verfahren gelang es nunmehr, eine hohe Festigkeit und Dehnbarkeit zu ermöglichen. Anwendung finden könnte das Verfahren unter anderem in der Luft- und Raumfahrt-, aber auch in der Automobilindustrie.

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Während private und geschäftliche Nutzer von 3D-Druckern flexible Filamente einsetzen können, die durchaus dehnbar sind, ist dies beim Metall-3D-Druck bis jetzt nur schwer zu erreichen. Bislang war es so, dass 3D-gedruckte Metallteile entweder fest oder dehnbar sein konnten, da ein Merkmal das andere kompromittiert. Für viele Anwendungen sind 3D-gedruckte Metallteile bis jetzt zu starr und zu spröde. Dies dürfte sich mit dem neu entwickelten SLM 3D-Druckverfahren nun ändern.

Gedrucktes Bauteil für Nuklear Testreaktor.
Dieses Bauteil wurde für einen Nuklear Fusion Testreaktor gedruckt (© Leifeng Liu, Birmingham University).

Forscher der University of Birmingham, der Stockholm University und der Zhejiang University in China kamen vor Kurzem zusammen, um gemeinsam ein neues Metall-3D-Druckverfahren zu entwickeln, welches den Engpass bei der Festigkeit und der Duktilität (Dehnbarkeit) überwindet. Die von ihnen entwickelte SLM-Technik, welche auch das Drucken von „bisher unzugänglichen Formen“ ermöglicht, wartet mit einer ultraschnellen Abkühlungsrate zwischen 1.000 Grad Celsius pro Sekunde bis zu 100 Millionen Grad Celsius pro Sekunde auf. Diese schnelle Abkühlungsrate bringt einige wünschenswerte mechanische Eigenschaften mit sich, was den 3D-gedruckten Edelstahl auch für Hersteller von Flugzeugen und Fahrzeugen attraktiv machen könnte.

Vernetzungsstrukturen unter dem Mikroskop.
Hier sehen Sie eine Vergrößerung der dehnbaren Vernetzungsstrukturen (Bild © Leifeng Liu, Birmingham University).

Die schnelle Abkühlrate sorgt dafür, dass das Metall in einen „Nicht-Gleichgewichtszustand“ gelangt. So werden Mikrostrukturen erzeugt, beispielsweise ein „Versetzungsnetzwerk kleinerer Größe“, welches wiederum mechanische Eigenschaften wie die Duktilität (Dehnbarkeit), aber auch eine hohe Festigkeit zur Folge habe. Dieses Versetzungsnetzwerk sorgt somit für eine größere Flexibilität und ist unter anderem für Ingenieure interessant, welche komplexe Metallformen erschaffen möchten, die nicht unbedingt starr oder gar brüchig sein sollten.

„Diese Arbeit gibt Forschern ein brandneues Werkzeug, um neue Legierungssysteme mit ultramechanischen Eigenschaften zu entwerfen,“ äußerte der Erstautor der Studie, Dr. Leifeng Liu. Dieser wechselte kürzlich als AMCASH-Forscher von der Stockholmer Universität an die Universität von Birmingham. Das neue Verfahren „hilft dem Metall-3D-Druck, Zugang zu dem Bereich zu erhalten, in dem hohe mechanische Eigenschaften erforderlich sind – wie Strukturbauteile in der Luft- und Raumfahrt und der Automobilindustrie“, so Liu weiter.

Grafische Darstellung des SLM-Prozesses.
Grafische Darstellung des neuen SLM-Prozesses (© Leifeng Liu, Birmingham University).

Zum Birminghamer Forschungsteam gehörten auch Dr. Yu-Lung Chiu, Dr. Jing Wu und Dr. Ji Zou, die an der Fakultät für Metallurgie und Materialkunde beschäftigt sind. Sie zeichneten dafür verantwortlich, das Mikro- und Nanomaterial-Testsystem in Elektronenmikroskopen zu etablieren. Dieses System erlaubt es den Forschern, die Leistung der 3D-gedruckten Metallproben im Rahmen mechanischer Tests zu analysieren. Dieses Testsystem habe den Forschern dabei geholfen, die physikalischen Mechanismen besser zu verstehen und zugleich effektive mikrostrukturelle Eigenschaften der hergestellten Metalle herauszufinden.

Die Studie trägt den Titel „Dislocation network in additive manufactured steel breaks strength–ductility trade-off“ und wurde vor Kurzem in englischer Sprache auf der Webseite Materials Today veröffentlicht, von der sie kostenpflichtig heruntergeladen werden kann.

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