Ein Forschungsteam der Universität Cambridge hat eine innovative Methode zum Metall-3D-Druck entwickelt. Diese neue Technik ermöglicht es, strukturelle Modifikationen in Metalllegierungen während des 3D-Drucks zu programmieren, um deren Eigenschaften ohne den traditionellen Prozess des „Erhitzens und Hämmerns“ zu verfeinern.
Dieses Verfahren, das seit Tausenden von Jahren verwendet wird, erfordert das Härten des Materials mit einem Hammer und das Weichmachen durch Feuer, um dem Metall die gewünschte Form und gleichzeitig physikalische Eigenschaften wie Flexibilität oder Stärke zu verleihen. Veröffentlicht wurde die Forschungsarbeit in Natur Communications unter dem Titel „Additive manufacturing of alloys with programmable microstructure and properties„.
Dr. Matteo Seita, der Leiter der Forschungsgruppe, erläuterte, dass die Methode die Kosten für den Metalldruck reduzieren und dadurch die Nachhaltigkeit der Metallherstellungsindustrie verbessern könnte. Derzeit sind die Produktionskosten für 3D-Druck im industriellen Einsatz aufgrund des hohen Anpassungsbedarfs nach der Produktion recht hoch. Das Team hofft, in naher Zukunft den Schritt der Niedertemperaturbehandlung im Ofen umgehen zu können, wodurch die Anzahl der erforderlichen Schritte vor dem Einsatz von 3D-gedruckten Teilen in technischen Anwendungen weiter reduziert würde.
Die Forscher entwickelten eine neue „Rezeptur“ für 3D-gedrucktes Metall, die eine hohe Kontrolle über die innere Struktur des Materials während des Schmelzprozesses durch einen Laser ermöglicht. Durch die Steuerung der Art und Weise, wie das Material nach dem Schmelzen erstarrt, und der während des Prozesses erzeugten Wärmemenge können die Eigenschaften des Endmaterials programmiert werden. Die Forschungsgruppe fand heraus, dass der Laser als „mikroskopischer Hammer“ verwendet werden kann, um das Metall während des 3D-Drucks zu härten. Ein zweites Schmelzen des Metalls mit demselben Laser entspannt die Struktur des Metalls, wodurch eine strukturelle Umkonfiguration ermöglicht wird, wenn das Teil in einen Ofen bei relativ niedriger Temperatur gelegt wird.
Die Methode nutzt konventionelle laserbasierte 3D-Drucktechnologien, allerdings mit einer kleinen Anpassung im Prozess. Der so hergestellte 3D-gedruckte Stahl wurde theoretisch entworfen und experimentell validiert und besteht aus abwechselnden Bereichen von starkem und zähem Material, was seine Leistung mit Stahl vergleichbar macht, der durch Erhitzen und Hämmern hergestellt wurde.
Das Team umfasste Forscher der Nanyang Technological University, der Agency for Science, Technology and Research (A*STAR), des Paul Scherrer Instituts, des VTT Technischen Forschungszentrums Finnland und der Australian Nuclear Science & Technology Organisation. Matteo Seita ist Fellow des St John’s College, Cambridge.
Auswirkungen auf die Industrie und die Umwelt
Diese Entwicklung könnte bedeutende Auswirkungen auf die Stahlindustrie und die Umwelt haben. Stahl ist eines der wichtigsten Baumaterialien weltweit und verantwortlich für etwa 8% der weltweiten klimaerwärmenden Emissionen pro Jahr. Eine effizientere und nachhaltigere Produktionsmethode könnte daher einen erheblichen Unterschied in der Reduzierung dieser Emissionen bewirken.
Die internationale Energieagentur (IEA) betont, dass die Innovation in der Stahlproduktion in diesem Jahrzehnt entscheidend sein wird, um neue nahezu emissionsfreie Stahlproduktionsprozesse zu kommerzialisieren. Während die Beliebtheit alternativer Baustoffe wie Biomaterialien, die aus Pilzgewebe und Hanf hergestellt werden, zunimmt, bleibt Stahl ein zentrales Material für Bau- und Infrastrukturprojekte.
