Einem Forscherteam unter der Leitung der City University of Hong Kong ist es gelungen, mit Hilfe von additiver Fertigung eine neue Legierung auf Titanbasis zu entwickeln, die laut ihren Aussagen „superstark, hochduktil und superleicht“ ist. Die Wissenschaftler glauben, dass ihre Arbeit den Weg für ein neues Paradigma der Materialentwicklung ebnen könnte, bei dem mithilfe des 3D-Drucks Legierungen mit Strukturen und Eigenschaften hergestellt werden, die für industrielle Anwendungen geeignet sind.
Die Studie wurde in dem Papier „In-situ-Design einer fortschrittlichen Titanlegierung mit Konzentrationsmodulation durch additive Fertigung“ veröffentlicht.
Materialentwicklung mit 3D-Druck
Ungleichmäßigkeiten bei Metalllegierungsteilen sind normalerweise unerwünscht, da sie zu Eigenschaften wie Sprödigkeit führen können. Vor allem Hochtemperaturprozesse wie das Pulverbettschmelzen führen oft zu einer schnellen Abkühlung der Teile, was wiederum zu Inhomogenitäten in 3D-gedruckten Metallbauteilen führen kann.
Dr. Zhang Tianlong, Erstautor der Studie, meint jedoch, die additive Fertigung sollte als multifunktionales Werkzeug betrachtet werden. Laut Dr. Zhangs früheren Modellierungs- und Simulationsstudien kann ein gewisses Maß an Inhomogenität sogar von Vorteil für die Eigenschaften eines Legierungsteils sein, da es einzigartige und heterogene Mikrostrukturen erzeugen kann.
Neu Legierung für Anwendungen in unterschiedlichen Sektoren
Das Hongkonger Team hat zwei unterschiedliche Legierungen (Ti64 und Edelstahl 316L) mit dem fokussierten Laserstrahl eines Pulverbett-Fusions-3D-Druckers zusammengeschmolzen. Durch die sorgfältige Kontrolle bestimmter Druckparameter wie Laserleistung und Scangeschwindigkeit fanden die Wissenschaftler heraus, dass sie auf kontrollierbare Weise eine neue Legierung erzeugen konnten.
Die neu entstandenen mechanischen Eigenschaften ermöglichen es der Legierung, sehr stark, aber gleichzeitig auch duktil und leicht zu sein. Während die Dichte von Edelstahl etwa 7,9 g/cm³ beträgt, kam die neu entwickelte Legierung auf nur 4,5 g/cm³, womit das Team eine Gewichtsreduzierung von 40 % erreichte. Dabei hat die Legierung nicht an Festigkeit verloren, da das Experiment eine hohe Zugfestigkeit von 1,3 GPa und eine gleichmäßige Dehnung von etwa 9 % ergab.
Damit qualifiziert sich das beeindruckende Eigenschaftsspektrum des Materials für eine Vielzahl von strukturellen Anwendungen in Sektoren wie Luft– und Raumfahrt, Automobilindustrie und Energie. Das Forscherteam beabsichtigt zukünftig, die Methode auf verschiedene Legierungssysteme anzuwenden, um die Entwicklung neuer einzigartiger Legierungskombinationen zu untersuchen.
