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Das versteht man unter „vierter Dimension“ im 3D-Druck

Die Möglichkeit, außer der praktisch frei wählbaren dreidimensionalen Form in der additiven Fertigung auch völlig neue Materialeigenschaften in die Mikrostruktur der Werkstoffe zu integrieren, wird in der Fachwelt auch als vierte Dimension im 3D-Druck bezeichnet. In den kommenden fünf Jahren will Haase mit dem ERC Starting Grant „HeteroGenius4D“ diese zusätzliche Dimension untersuchen. „Die Schwierigkeit dabei sei, dass die Anzahl der Parameter, die man verändern könne, sehr hoch sei. „Schon allein der Raum der chemischen Zusammensetzungen, mit denen man arbeiten kann, ist extrem breit – selbst wenn man sich auf metallische Werkstoffe beschränkt“, macht Haase klar. Dazu kommen Prozessparameter, wie die Eigenschaften und die Führung des Laserstrahls. Es gibt also einen Dschungel an möglichen Kombinationen, aus dem man das Optimum herausfinden muss.

Ergebnisse durch Experiment plus Werkstoffsimulation

Um diese Herausforderung zu meistern, setzt Haase auf Computersimulationen bezüglich neuer Werkstoffe, um deren Eigenschaften vorhersagen zu können. „Das funktioniert aber nur, wenn die Simulationen auf einer soliden Datenbasis aufbauen können“, so Haase. Deshalb führen die Forscher auch sogenannte Hochdurchsatzexperimente durch, bei denen Probekörper mithilfe des Laserauftragschweißens in Hochgeschwindigkeit erstellt werden. Probekörper werden dabei automatisiert in puncto Härte gemessen und elektronenmikroskopische Aufnahmen gemacht. „Am Schluss habe man quasi ganze Landkarten, die zeigten, wie die Werkstoffeigenschaften von der chemischen Zusammensetzung und etwa der Laserleistung abhängen. „Auf diesen Landkarten können dann Simulationsprogramme eine verfeinerte Suche nach den für einen Anwendungszweck genau gewünschten Materialeigenschaften durchführen“, erklärt Haase.

Diese Branchen profitieren von den Erkenntnissen

Der 3D-Druck wird in der Industrie traditionell dort angewandt, wo komplexe Werkstücke in kleiner Stückzahl benötigt werden, führen die Forscher weiter aus. Das können Gussformen und Spezialwerkzeuge in Produktionsanlagen sein, in der Halbleiterindustrie, aber auch in der Luft- und Raumfahrt. Auch bei der Energiewende wird die additive Fertigung eine hilfreiche Rolle spielen, wie ein Forschungsprojekt, das man im Bereich Mobilität durchgeführt hat, zeigt. Dabei ging es um hochfeste Aluminiumlegierungen, bei denen das teure und geopolitisch kritische Element Scandium ersetzt werden sollte. Mithilfe des Ansatzes aus Experiment und Simulation konnte die Gruppe um Haase das preiswertere Element Zirkon als Ersatz definieren, das in der Legierung besser Eigenschaften zeigte und zudem Gewicht einspart. Aber auch in den heißen Bereichen von Gasturbinen – sei es im Flugzeug oder bei der Umwandlung von Erdgas oder Wasserstoff in elektrischen Strom – könne der 3D-Druck große Vorteile bringen. Durch neue Geometrien können etwa ganz andere, in die Turbine integrierte Kühlsysteme geschaffen werden.

Die neuen Professuren an der TU Berlin werden vom Land Berlin mit jährlich 1,5 Millionen Euro finanziert. Das Werner-von-Siemens Centre for Industry and Science e.V. wird im Rahmen der Gemeinschaftsaufgabe ,,Verbesserung der regionalen Wirtschaftsstruktur” (GRW) mit Bundes- und Landesmitteln gefördert. Die Projekte werden kofinanziert durch den Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE).

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