Forscher der Skoltech nutzten den 3D-Druck, um eine Bronze-Stahl-Legierung zu entwickeln. Die Wahl fiel auf Bronze und Stahl, weil sich die Eigenschaften der Materialien sehr gut ergänzen. Die neue Legierung ist vor allem für Luft- und Raumfahrt von Interesse.

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Russische Forscher des Skolkovo Institute of Science and Technology (Skoltech) haben laut einer Pressemitteilung eine neue Bronze-Stahl-Legierung mit der additiven Fertigung entwickelt. Um das zu erreichen, nutzten sie die direkte Laserabscheidung und stellten verschiedene Teile aus beiden Metallen her. Sie versuchten es auf zwei Wegen. Für die erste Methode mischten sie beide Metalle zu einem Material miteinander, das im Anschluss in Schichten abgeschieden wurde. Bei dem zweiten Weg lagerten sie Schichten aus Bronze abwechselnd mit Schichten aus Stahl ab. Die Arbeit der Forscher soll vor allem für die Luft– und Raumfahrtindustrie beim Bau von Brennkammern für Flugzeuge und Raketen von Interesse sein.

Entstehung der Bronze-Stahl-Legierung

3D-gedrucktes Objekt aus Bronze-Stahl-Legierung
Für den 3D-Druck nutzten sie die direkte Laserabscheidung (im Bild: 3D-gedrucktes Teil aus homogener Bronze-Stahl-Mischung)(Bild © Konstantin Makarenko/Skoltech).

Bronze und Stahl sind Materialien, die sich sehr gut ergänzen. Bronze ist sehr korrosionsbeständig, gut elektrisch leitfähig und sehr verschleißfest. Stahl ist bruch- und schlagfest, elektrisch verformbar und bietet eine hohe Härte. Eine Bronze-Stahl-Legierung gab es den Angaben der Wissenschaftler bisher nicht. Um Material für die direkte Laserabscheidung nutzen zu können, mussten die Forscher zuerst eine nahezu homogene Legierung herstellen, indem sie die beiden Materialien gleichmäßig mischten. Anschließend druckten sie mehrere Testteile.

Bei der anderen Methode druckten sie Schichten von Bronze und Stahl mit einer Dicke von jeweils 0,25 Millimetern. Dabei variierten sie die Menge an Bronze jedes Mal, von 25 bis 50 %. Der Stahlgehalt blieb gleich. Es zeigte sich, dass die Materialien gut miteinander verschmolzen sind und keine Anomalien zu finden waren. Die Forscher testeten die strukturellen und mechanischen Eigenschaften der neuen Legierung mit optischer und Rasterelektronenmikroskopie.

Stimmen der Beteiligten

Professor Igor Shishkovsky von Skoltech erklärte:

„Der 3D-Druck ist vielversprechend für die Herstellung von Verbundteilen, die mit den Eigenschaften der beiden unterschiedlichen Materialien ausgestattet sind, aus denen der Verbundstoff besteht. Bedenken Sie zum Beispiel, dass Stahl gegen die hohen Temperaturen beständig ist, die durch die Kraftstoffverbrennung in einem laufenden Motor entstehen. Das ist großartig, aber im Vergleich zu Bronze ist Stahl ein bescheidener Wärmeleiter, sodass das Motorkühlmittel die Wärme nicht so effektiv ableiten kann, um Überhitzung und Schäden zu vermeiden. Nun, mit dem 3D-Druck können Sie tatsächlich das Beste aus beiden Welten erhalten, indem Sie eine Brennkammer herstellen, die nahtlos von innen aus Bronze für ein besseres Temperaturmanagement zu einer Außenseite aus Stahl übergeht, um die Struktur zusammenzuhalten.“

Konstantin Makarenko, Doktorand im vierten Jahr bei Skoltech Materials, fasst zusammen:

„Jetzt, da wir bestätigt haben, dass Stahl und Bronze in einer Legierung kombiniert werden können und mit dem 3D-Druck durch direkte Laserabscheidung kompatibel sind und wir die mechanischen Eigenschaften des neuen Materials kennen, können wir seine möglichen Anwendungen untersuchen. Vorausschauend möchte ich bei Skoltech eine Stahl-Bronze-Brennkammer fertigen und testen, aber darüber hinaus sind andere Artikel möglich und andere Metallkombinationen könnten verwendet werden. Im nächsten Schritt würden Turbinenschaufeln aus einer verstärkten Superlegierung mit Kühlkanälen aus Bronze entstehen. Es geht darum, die Vorteile zweier unterschiedlicher Materialien in einem nahtlosen Produkt ohne Schweißnähte oder andere Verbindungsstellen zu kombinieren.“

Bronze-Stahl-3D-gedrucktes Teil
Forscher der Skoltech haben eine Bronze-Stahl-Legierung mithilfe der additiven Fertigung entwickelt (im Bild: 3D-gedrucktes Objekt, um Materialkombination zu testen)(Bild © Konstantin Makarenko/Skoltech).

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