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Nächster Schritt Der 3D-Druck geht in die „vierte Dimension“

Von TU Berlin 4 min Lesedauer

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Ein neu gegründetes Fachgebiet der TU Berlin forscht an Werkstoffen für die additive Fertigung ...

Der 3D-Druck in Metall inklusive das Laserauftragschweißen führt zu Bauteilen, die sonst kaum herstellbar wären. An der TU Berlin gibt es nun ein Forschungsgebiet, das sich mit der Zusammensetzung von druckbaren Materialien beschäftigt – der vierten Dimension im 3D-Druck!(Bild: F. Nautelmann)
Der 3D-Druck in Metall inklusive das Laserauftragschweißen führt zu Bauteilen, die sonst kaum herstellbar wären. An der TU Berlin gibt es nun ein Forschungsgebiet, das sich mit der Zusammensetzung von druckbaren Materialien beschäftigt – der vierten Dimension im 3D-Druck!
(Bild: F. Nautelmann)

Obwohl der 3D-Druck seit über 30 Jahren angewandt wird, ist diese Art der Bauteilfertigung noch im Vergleich zu etablierten Produktionsprozessen recht jung. Besonders bei den Ausgangsmaterialien – speziell wenn es um metallische Werkstoffe gehe – gibt es deshalb auch noch Optimierungsbedarf. Dafür können aber mithilfe des 3D-Drucks Produkte mit bisher nicht möglichen, komplexen Stoffzusammensetzungen und damit auch völlig neuartigen Eigenschaften hergestellt werden. Genau das ist der Punkt, an dem das neu gegründete Fachgebiet „Werkstoffe für die Additive Fertigung“ von Prof. Dr.-Ing. Christian Haase den Hebel ansetzt.

Die additive Fertigung läuft nach dem Bottom-up-Prinzip

Glühend heißer Stahl fließt in eine Barrenform und wird nach dem Erstarren, immer noch glühend, zu Blechen oder Stäben gewalzt. Diese können anschließend zu unterschiedlichen Formen tiefgezogen, gebogen oder geschmiedet werden. Bei jeder dieser Umformungen verändert sich aber auch die Werkstoffstruktur, wobei aber die wichtigsten Materialeigenschaften bereits beim Guss des Werkstoffrohlings festgelegt werde, so Haase. Im Gegensatz zu diesem Top-down-Ansatz nutzt man bei der additiven Fertigung aber eine Bottom-up-Methode. Beim 3D-Druck wird nämlich das fertige Produkt – bis auf nachträgliche Arbeiten wie zum Beispiel Polituren – in einem Arbeitsschritt hergestellt. Im sogenannten Pulverbettverfahren schmilzt ein Laser- oder Elektronenstrahl das Materialpulver selektiv an bestimmten Stellen auf, sodass schließlich Schicht für Schicht ein komplexes Werkstück mit fast beliebigen Formen entstehen kann. Beim „Laserauftragschweißen“ können sogar ganz unterschiedliche Materialien zu einem Werkstück aufgebaut werden, wobei das jeweils gewünschte Material erst kurz vor dem Aufschmelzen durch den Laser (etwa als Pulver-Gas-Gemisch) aufgesprüht wird.

Forscher beeinflussen das Material beim Laserauftragschweißen

Durch diese Produktionsweise lassen sich direkt bei der Formgebung an unterschiedlichen Stellen des Werkstücks ganz unterschiedliche Material- und Oberflächeneigenschaften einstellen – und zwar auf völlig verschiedenen Größenskalen, erklärt Haase. Außer der Möglichkeit, beim Laserauftragschweißen verschiedene Materialien zu kombinieren, sind aber auch die Energie, der Strahldurchmesser und die Bewegungsgeschwindigkeit des Lasers Parameter, mit denen Materialeigenschaften beeinflusst werden können. Von der unterschiedlichen chemischen Zusammensetzung und der Anordnung einzelner Atome, über großräumigere, erwünschte Abweichungen in der Kristallstruktur bis hin zur Kornstruktur des Materials, die manchmal schon mit bloßem Auge sichtbar ist, können die Forscher gezielt Veränderungen vornehmen.

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