Nanopartikel-Funktionstechnik: Forscher berichten von „Durchbruch“ beim 3D-Druck von Aluminium

 21. September 2017  Andreas Krämer  

Forscher von dem kalifornischen Unternehmen HRL Laboratories haben eine neue Technik für den 3D-Druck mit Aluminium entwickelt. Die Nanopartikel-Funktionstechnik wird als „Durchbruch“ bezeichnet und soll Automobil- und Luftfahrtunternehmen sowie Forschung und Verteidigung völlig neue Möglichkeiten mit 3D-Druck bieten. Hier wird das Verfahren einmal genauer vorgestellt.

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Logo HRL LaboratoriesDas kalifornische Unternehmen HRL Laboratories feiert einen Durchbruch beim 3D-Druck von Aluminium mithilfe von Nanopartikeln. Die Forscher haben ein Verfahren entwickelt, mit dem hochfeste Aluminiumlegierungen gedruckt werden können – dies beinhaltet auch die Typen AI7075 und AI6061. Von Aeromet International und Renishaw wurde zuletzt über die Entwicklung von 3D-Druck-Parametern für die A20X Hochleistungslegierung berichtet.

Die Entwicklung jetzt von HRL Laboratories öffnet die Tore für die additive Fertigung ingenieurrelevanter Legierungen, berichtet das Unternehmen in einer Mitteilung an 3D-grenzenlos. Diese Legierungen sind vor allem für Flugzeug-, und Automobilteile sehr wünschenswert, weil sie zu jenen zählen, die für den 3D-Druck geeignet sind und von den Wissenschaftlern jetzt gelöst werden konnte. Der weitere Vorteil des Verfahrens ist seine Übertragbarkeit auf andere Legierungsfamilien, wie hochfesten Stahl oder Superlegierungen auf Nickelbasis, die aktuell nur schwer in der additiven Fertigung verarbeitet werden können. Unter anderem setzt der Automobilhersteller Daimler den 3D-Metalldruck ein, um Ersatzteile für ältere LKW-Modelle kostengünstig herzustellen. Aber auch Opel, VW, Mercedes, Ford und viele weitere Automobilhersteller nutzen bereits den 3D-Druck in ihren Produktionsprozessen, wie auf unserer Themenseite in über 100 Beispielen nachgelesen werden kann.

In dem Video wird das in diesem Artikel beschriebene Verfahren erklärt (Sprache: Englisch).

3D-Druck von Aluminium
Nanopartikel-Funktionstechnik von HRL Laboratories: Forscher berichten vom „Durchbruch“ beim 3D-Druck von Aluminium (Bild © 3D-grenzenlos; Videoquelle: Youtube/HRL Laboratories, LLC).

Wie Hunter Martin, der mit Brennan Yahata das Forscherteam leitete, in der an 3D-grenzenlos gerichteten Mitteilung erklärte, habe man eine 70 Jahre alte Keimbildungstheorie verwendet, um ein ein 100 Jahre altes Problem mit einer Maschine des 21. Jahrhunderts zu lösen. Die beiden Forscher sind sind Ingenieure im Sensorik- und Materiallabor des HRL und Doktoranden an der University of California in Santa Barbara. Sie studieren zusammen mit Professor Tresa Pollock, einem Co-Autor der Studie. Ihre Studie „3D-Druck von hochfesten Aluminiumlegierungen“ (Original: „3D printing of high-strength aluminium alloys“) wurde in der September-Ausgabe des US-Wissenschaftsmagazins „Nature“ veröffentlicht (ePDF; öffnet in neuem Fenster).

Problem und Lösung

Die additive Fertigung von Metallen beginnt klassisch mit Legierungspulvern, die in dünnen Schichten aufgetragen und mit einem Laser oder einer anderen direkten Wärmequelle erhitzt werden, um die Schichten zu schmelzen und zu verfestigen. Normalerweise, wenn hochfeste, nicht schweißbare Aluminiumlegierungen wie Al7075 oder AL6061 eingesetzt werden, erleiden die daraus resultierenden Teile eine schwere Heißrissbildung. Dieser Zustand führt dazu, dass das Metallteil auseinandergerissen werden kann wie ein Plättchen.

Die Nanopartikel-Funktionstechnik von HRL löst dieses Problem, indem hochfeste nicht schweißbare Legierungspulver mit speziell ausgewählten Nanopartikeln gemischt werden. Das Nanopartikel-Pulver wird anschließend von einem 3D-Drucker schichtweise aufgetragen und per Laser zum gewünschten Objekt verschmolzen. Beim Schmelz-, und Erstarrungsprozess dienen die Nanopartikel als Nukleationsstellen für das gewünschte Legierungsgefüge, unterbinden Hitzerisse und resultiert in einer Beibehaltung der vollen Festigkeit der Legierung im gedruckten Bauteil. Die Funktionalisierung von Nanopartikeln kann auch dafür eingesetzt werden, nicht schweißbare Legierungen schweißbar zu machen.

Vorteile der Technik

Die Technik ist skalierbar und nutzt kostengünstige Materialien. Herkömmliche Legierungspulver und Nanopartikel erzeugen Druckereinsatzmaterialien mit Nanopartikeln, die gleichmäßig auf der Oberfläche der Pulverkörner verteilt werden. Zur Findung der richtigen Nanopartikel beauftragten die Forscher das Unternehmen Citrin-Informatics damit, ihnen bei der Sortierung der unzähligen möglichen Partikel zu helfen, um diejenigen mit den erforderlichen Eigenschaften zu finden. Das Ergebnis war ein auf Zirkonium basierendes Nanopartikel.

Informatik der Schlüssel zum Erfolg

Die Nutzung der Informatik sei Yahata zufolge der Schlüssel gewesen. Es wurde das Periodensystem für Legierungselemente nach dem „Trial and Error“ Verfahren genutzt, um das richtige Element zu finden. Die Informatiker erhielten die erforderlichen Informationen, um ihre große Datenanalyse auf das Feld der verfügbaren Materialien von Hunderttausenden auf ein paar wenige zu minimieren.

Nach Firmenangaben stehe man mit der neuen Technik an der Spitze eines neuen Kapitels in der additiven Herstellung von Metallen für Forschung, Industrie und Verteidigung. An dem Forschungsprojekt waren noch Jacob Hundley, Justin Mayer und Tobias A. Schaedler beteiligt, die alle bei HRL tätig sind. Über die weitere Entwicklung berichten wir auch zukünftig auf 3D-grenzenlos (Newsletter abonnieren).

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