Neue Legierung ermöglicht 3D-Druck von Hochleistungsstahl

Neue Legierung soll sichere und zuverlässige Produkte ermöglichen

3D-Druck von Hochleistungsstahl

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Prof. Dr. Thomas Niendorf vor einem 3D-Metall-Drucker (mit älteren Produkten). Bild: Andreas Fischer
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Der 3D-Druck von Hochleistungs-Stahl-Komponenten für die Automobiltechnik und die Luft- und Raumfahrt ist einen großen Schritt näher gerückt. Einem Forscher der Universität Kassel ist es erstmals gelungen, mittels additiver Fertigung eine Stahl-Legierung zu verarbeiten, die eine außergewöhnlich hohe Schadenstoleranz aufweist und somit zukünftige gedruckte Produkte sicherer und zuverlässiger macht.

Stahl-Legierungen seien zwar schon bislang für die additive Fertigung verwendet worden, ein neues Ausgangsmaterial in Kombination mit dem Elektronenstrahl-Druck-Verfahren liefere aber nun eine in vielerlei Hinsicht deutlich höhere Qualität und mache den Einsatz dadurch in vielen Anwendungsbereichen erstmals sinnvoll, so der Werkstoffwissenschaftler Prof. Dr.-Ing. Thomas Niendorf von der Uni Kassel. Seine durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft geförderte Emmy-Noether-Forschungsgruppe hat die Legierung und den Prozess zusammen mit Kollegen der TU Bergakademie Freiberg entwickelt.

Dafür gingen die Forscher einen bislang unbeschrittenen Weg: Sie verwenden als Basis eine sogenannte TRIP-Stahl-Legierung (Transformation Induced Plasticity), die aufgrund besonderer Verformungsmechanismen exzellente Standhaftigkeit zeigt. Die im Elektronenstrahl-Druck-Verfahren zur Verfügung stehende Wärme setzten sie dabei so geschickt ein, dass die bisher oft problematische Unberechenbarkeit der Werkstoffeigenschaften vermieden wird. Ergebnis ist eine bessere innere Materialstruktur im Endprodukt; dies schützt gegen unerwartete Brüche und andere mögliche Schäden.

Anwendungen u. a. in der Luft- und Raumfahrt sowie der Automobiltechnik, aktuellen Treibern der 3D-Druck-Enwticklung, werden nach Niendorfs Überzeugung erheblich profitieren: „Der 3D-Metall-Druck wird auf dieser Basis neue Bereiche erschließen.“ Insbesondere für komplexe, kleine Bauteile sei das additive Verfahren geeignet.

Niendorf sieht im Metall-3D-Druck ein enormes Potenzial für die deutsche Wirtschaft: „Deutsche Hersteller sind führend bei der Erzeugung von Metallpulvern und dem Bau von Anlagen zum 3D-Laserschmelzen.“ Weltweit dominieren bislang Titan-Legierungen den 3D-Druck mit Metallen. Im Unterschied zu den Titan-Produkten müssen die mit dem neuen Verfahren gedruckten Bauteile aus Stahl nicht aufwendig nachbearbeitet werden, was sie in der Herstellung deutlich billiger macht.

Beim Metall-3D-Druck werden Produkte in Mikrometer-dünnen Schichten additiv aufgebaut. Dafür wird Metallpulver durch einen Elektronenstrahl, Laser oder andere Hitzequellen geschmolzen. Durch dieses Verfahren sind sehr filigrane, komplexe und zugleich belastbare Strukturen möglich.

Die Suche nach neuen, für den 3D-Druck geeigneten Materialien und Verfahren gehört zu den Forschungsschwerpunkten von Prof. Dr.-Ing. Thomas Niendorf. Er hat seit 2015 eine Professur für Metallische Werkstoffe an der Universität Kassel. Im Bereich der additiven Fertigung forscht er zum Herstellungsprozess und der Mikrostruktur, den mechanischen Eigenschaften und der Schädigungsentwicklung von Gegenständen aus dem 3D-Drucker.

Die Ergebnisse wurden in der neuesten Ausgabe des renommierten Forschungsjournals Scientific Reports veröffentlicht, einem Open Access Journal der Nature-Verlagsgruppe.
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