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Additive Fertigung

3D-Druck mit amorphen Metallen

| Redakteur: Dorothee Quitter

Amorphe Metalle sind ideale Materialen für Hightech-Anwendungen: Sie sind hochelastisch, hart, leicht und zugleich bruchfest. In der Additiven Fertigung lassen sich diese Vorteile in völlig neuer Weise nutzen.

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Das additiv gefertigte Zahnrad wurde auf einer Standard-SLM-Anlage mit amorphen Metallen aus dem Hause Heraeus gedruckt. Dieser Größenrekord eröffnet neue Möglichkeiten für Automatisierungslösungen, die Robotik, Luftfahrt, Medizintechnik und Automobilindustrie.
Das additiv gefertigte Zahnrad wurde auf einer Standard-SLM-Anlage mit amorphen Metallen aus dem Hause Heraeus gedruckt. Dieser Größenrekord eröffnet neue Möglichkeiten für Automatisierungslösungen, die Robotik, Luftfahrt, Medizintechnik und Automobilindustrie.
(Bild: Heraeus)

Ob in der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik oder im Bereich E-Mobilität: Moderne Hightech-Anwendungen stellen enorme Anforderungen an heutige Materialien, um beispielsweise verschleißfeste Antriebskomponenten und Zahnräder, stabile Federungen oder Membrane für Einspritzdüsen herzustellen. Herkömmliche Herstellungsverfahren stoßen bei komplexen Designs und extrem leichten Bauweisen schnell an ihre Grenzen. Dank Additiver Fertigung sind maßgeschneiderte Lösungen für eine Vielzahl neuer Anforderungen möglich.

Atomares Chaos als Lösung für diverse Hightech-Anwendungen

Amorphe Metalle sind Multitalente und vereinen Eigenschaften, die sich bisher gegenseitig ausschlossen. So sind sie gleichzeitig extrem fest und hochelastisch. Außerdem zeigen sie sehr gute Federeigenschaften, sind äußerst korrosionsbeständig und schockabsorbierend. Grund dafür ist ihre ungeordnete, nicht kristalline Struktur. Die Herausforderung in der Herstellung und Verarbeitung der amorphen Metalle besteht darin, dass die Atome in der Schmelze beim Erstarren ihre amorphe Anordnung beibehalten. Es handelt sich also um eingefrorene Schmelzen, die auch als metallische Gläser bezeichnet werden. „Durch die hohe Festigkeit des Materials ist es möglich, Bauteile konstruktiv zu verändern und diese dünner oder kleiner herzustellen, als das mit Standardmaterialien möglich ist“, erklärt Valeska Melde, Marketing & Sales Manager bei Heraeus Amloy. Ein enormer Vorteil für stark belastete Teile, die häufig verschleißen – wie etwa Getriebeteile.

Anwendertreff Leichtbau

Um Additive Fertigung geht es auch auf dem 4. Anwendertreff Leichtbau am 7.11.2019 in Würzburg. Neben der Vorstellung einer kostenfreien Topologieoptimierungssoftware speziell für den 3D-Druck wird auch die Generierung komplexer bionischer Strukturen für die Additive Fertigung vorgestellt. Weitere Infos finden Sie hier: Anwendertreff Leichtbau

Ein weiterer Pluspunkt ist die geringe Dichte der amorphen Metalle, die unterhalb der von Stahl liegt. Das spart Gewicht – eine der größten Herausforderungen für Innovationen in der E-Mobilität sowie der Luft- und Raumfahrt. „Unsere Weiterentwicklungen der amorphen Metalle sind ein wesentlicher Treiber, um Reichweiten in der E-Mobilität zu erhöhen und Energiekosten in der Luft- und Raumfahrt zu senken“, sagt Valeska Melde. Neben ihrem geringen Gewicht bieten amorphe Metalle einen weiteren entscheidenden Vorteil für die Luft- und Raumfahrt: sie werden im Gegensatz zu anderen Metallen auch bei extrem tiefen Temperaturen nicht brüchig (Tieftemperaturduktilität) und eignen sich daher besonders für extreme Umgebungen. Dank ihrer hohen Kriechfestigkeit lassen sich aus amorphen Metallen außerdem leichte, kleine und gleichzeitig stabile Rotorelemente, zum Beispiel für Drohnen, herstellen.

Hightech-Material aus dem 3D-Drucker

Neben dem Spritzguss von amorphen Metallen stellt Heraeus auch amorphe Bauteile mittels 3D-Druck her. „Die Additive Fertigung ermöglicht größere Bauteile mit komplexen Geometrien, die mit herkömmlichen Verfahren bisher nicht herstellbar waren“, erklärt Jürgen Wachter, Leiter der Geschäftseinheit Heraeus Amloy. Hochreine, sphärische, amorphe Pulver auf Zirkonium- oder Kupferbasis sind speziell für die Additive Fertigung im Selektiven Laserschmelzen (SLM) optimiert. Aktuell arbeitet Heraeus Amloy an der Entwicklung einer Titan-basierten Legierung, die ebenfalls in der Additiven Fertigung verwendet werden kann. Die Kombination aus sehr geringem Gewicht mit optimierter Bauteil-Geometrie ist besonders für den Leichtbau vorteilhaft. Eine Platin-basierte Legierung von Heraeus Amloy stößt insbesondere in der Schmuckindustrie auf Interesse, da sie im Gegensatz zu reinem Platin kratzfest ist.

Die Pulver für das Laserschmelzen in der Additiven Fertigung werden mittels Verdüsung im EIGA- (Electrode Induction Melting Inert Gas Atomization) oder VIGA-Verfahren (Vakuum-Inertgas-Verdüsungsanlage) hergestellt. Diese können auf allen SLM-Maschinen verarbeitet werden. Die entsprechenden Parameter ermittelt Heraeus Amloy für den Kunden und optimiert zusammen mit Partnern auch die Drucker für amorphe Bauteile. Genau wie Standardmaterialien lassen sich auch amorphe Bauteile nachbearbeiten – je nach gewünschter Oberflächenstruktur oder Form. Die Legierungen können geschliffen, gestrahlt, poliert aber auch maschinell weiterverarbeitet werden. (qui)

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