Ein Team von Forschern der Tohoku University in Japan hat ein innovatives Multi-Material-3D-Druckverfahren entwickelt, das den Weg für leichtere und zugleich stabile Automobilteile ebnen könnte. Ziel ihrer Forschung war es, eine Kombination aus Stahl und Aluminium herzustellen, die sowohl geringes Gewicht als auch hohe Festigkeit aufweist – eine Eigenschaft, die für den Einsatz in der Automobilindustrie von zentraler Bedeutung ist.
Der Prozess des Multi-Material-Metalldrucks
Der Metall-3D-Druck ermöglicht es, Objekte Schicht für Schicht durch die gezielte Verschmelzung von Metallpulvern zu formen. Diese Technologie minimiert Materialabfälle und bietet die Möglichkeit, komplexe und maßgeschneiderte Strukturen herzustellen. Die sogenannte „Multi-Material-Struktur“ kombiniert gezielt verschiedene Werkstoffe, um die Leistung einzelner Komponenten zu optimieren. Im Automobilbau könnten beispielsweise Stahlteile durch die Integration von Aluminium erheblich leichter werden, ohne an Stabilität zu verlieren.
Herausforderungen und Lösungsansätze
Die Umsetzung solcher Multi-Material-Verbindungen birgt jedoch Herausforderungen.
Associate Professor Kenta Yamanaka von der Tohoku University erklärt:
„Bei bestimmten Metallkombinationen, wie etwa Stahl und Aluminium, können spröde intermetallische Verbindungen entstehen, die die Festigkeit des Bauteils beeinträchtigen.“
Das Forscherteam setzte auf das Verfahren des Laser Powder Bed Fusion (L-PBF), einer der führenden Technologien im Bereich des metallischen 3D-Drucks. Durch eine Erhöhung der Lasergeschwindigkeit während des Druckvorgangs konnte die Bildung solcher unerwünschten Verbindungen wie Al5Fe2 und Al13Fe4 weitgehend unterdrückt werden. Dies wurde durch eine sogenannte „Nichtgleichgewichts-Solidifikation“ erreicht, die zu einer gleichmäßigen Verteilung der Legierungselemente führte und die Bindungsstellen zwischen den Materialien verstärkte.
Specially Appointed Assistant Professor, Seungkyun Yim, erklärt:
„Man kann nicht einfach zwei Metalle zusammenfügen und erwarten, dass sie halten. Es war essenziell, den In-situ-Legierungsmechanismus vollständig zu verstehen.“
Erfolg mit einem Automobilprototyp
Als Ergebnis dieser Forschung konnte das Team erstmals eine voll funktionsfähige Automobilkomponente – einen sogenannten Federbeindom – aus einem Stahl-Aluminium-Verbundwerkstoff prototypisieren. Dieses Bauteil wurde speziell für die Anforderungen des Automobilbaus angepasst und ist ein Beweis für die Machbarkeit dieser Technologie.
Die Forscher planen, ihre Erkenntnisse auf andere Metallkombinationen zu übertragen, um die Anwendungsbereiche zu erweitern und die Nutzung von Multi-Material-Strukturen in weiteren Branchen zu fördern.
