Forscher der Washington State University (WSU) haben ein Verfahren entwickelt, mit denen sie Strukturen aus zwei Metallen herstellen. Ihre Forschung lehnt sich laut einer Pressemitteilung der WSU dabei an die strukturelle Komplexität von Bäumen und Knochen an. Die Forscher haben zwei Stahlsorten in derselben kreisförmigen Schicht mit zwei Schweißmaschinen mit 3D-Druck verarbeitet. Dabei entstand bimetallisches Material, das sich als 33 % bis 42 % stärker als jedes einzelne Metall erwies. Den Forschern zufolge soll sei dies teilweise auf den Druck zurückzuführen, der bei den Metallen beim Abkühlen entsteht. Ihre Arbeit wurde in einem Artikel mit dem Titel „Radial bimetallic structures via wire arc directed energy deposition-based additive manufacturing“ im Fachjournal Nature Communications veröffentlicht.
Bimetallische Strukturen aus dem 3D-Drucker
Für ihre Arbeit nutzen sie gängige und relativ günstige Werkzeuge, damit Hersteller und Reparaturwerkstätten diese in Zukunft einsetzen könnten. Möglicherweise könnten sich die Arbeit für leistungsstarke medizinische Implantate oder Teile für die Raumfahrt nutzen lassen, erklärt der leitende Autor der Arbeit und Professor an der School of der WSU Maschinenbau und Werkstofftechnik, Amit Bandyopadhyay.
Bandyopadhyay:
„Es hat ein sehr breites Anwendungsspektrum, da jeder Ort, an dem Schweißarbeiten jeglicher Art durchgeführt werden, jetzt seine Designkonzepte erweitern oder Anwendungen finden kann, bei denen ein sehr hartes Material und ein weiches Material fast gleichzeitig kombiniert werden können.“
Das Team erkannte, dass Bäume und Knochen ihre Stärke aus der Art und Weise beziehen, wie geschichtete Ringe aus verschiedenen Materialien miteinander interagieren. Sie nutzten dazu Schweißgeräte, die normalerweise in Automobil– und Maschinenwerkstätten zu finden sind. Mithilfe einer numerischen Computersteuerung oder einer CNC-Maschine konnten sie Teile mithilfe präziser Computerprogrammierung und zwei Schweißköpfen anfertigen.
Demonstration mit zwei Schweißköpfen
Sie demonstrierten ihre Arbeit mit zwei Schweißköpfen, die direkt nacheinander an einer kreisförmigen Schicht arbeiteten, um zwei Metalle mit jeweils spezifischen Vorteilen zu drucken. Sie stellten einen korrosionsbeständigen Edelstahlkern in einem Außengehäuse aus billigerem, „weichen“ Stahl her, wie es sonst in Brücken oder Eisenbahnen eingesetzt wird. Die Metalle schrumpfen beim Abkühlen unterschiedlich schnell. Beim Abkühlen entsteht ein Innendruck, der die Metalle im Wesentlichen einklemmt. Das Ergebnis wies eine höhere Festigkeit auf als Edelstahl oder Baustahl.
Derzeit erfordert der 3D-Druck mit mehreren Metallen in einer Schweißanordnung das Anhalten und Wechseln der Metalldrähte. Die neue Methode eliminiert diese Pause und bringt zwei oder mehr Metalle in dieselbe Schicht, während die Metalle noch heiß sind.
Lile Squires, Doktorandin für Maschinenbau an der WSU und Erstautorin der Studie, sagte:
„Bei dieser Methode werden die Metalle in einem Kreis statt nur in einer Linie abgeschieden. Dadurch weicht sie grundlegend von dem ab, was bisher möglich war. Wenn man sich im Kreis bewegt, kann sich im Wesentlichen ein Material an das andere Material anschmiegen, was beim Drucken in einer geraden Linie oder in Sandwichschichten nicht passieren kann.“
Die Fähigkeit, 3D-gedruckte Metall-Teile schichtweise zu verstärken, könnte Automobilwerkstätten bald neue Möglichkeiten eröffnen und die Möglichkeit bieten, schnell starke, maßgeschneiderte Stahlteile herzustellen. So könnten bimetallische, drehmomentfeste Achswellen oder kostengünstige, leistungsstarke Bremsscheiben entwickelt werden. Die Forscher sehen außerdem für medizinische Herstellungsverfahren, bei denen Gelenkersatzteile außen mit haltbarem Titan und innen mit einem Material wie magnetischem Stahl mit heilenden Eigenschaften bedruckt werden. Strukturen im Weltraum über ein hochtemperaturbeständiges Material wären ebenfalls denkbar. Für diese Entwicklung haben die Forscher und die WSU einen vorläufigen Patentantrag eingereicht.
3D-Druck einer Struktur aus zwei Metallen
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