Stabile Legierungen aus dem 3D-Drucker

Mit 3D-Druckern lassen sich Bauteile schnell und günstig in nahezu jeder beliebigen Form fertigen. Für Kunststoffe funktioniert die Methode zuverlässig. Gedruckte Bauteile aus Metalllegierungen sind jedoch – von wenigen Ausnahmen abgesehen – meistens nicht stabil genug und zeigen Risse. Dieses Problem konnten nun Materialforscher durch den Einsatz ausgewählter Nanoteilchen lösen. Wie sie in der Fachzeitschrift „Nature“ berichten, gelang ihnen der 3D-Druck von Bauteilen aus industriell wichtigen Aluminiumlegierungen ohne Risse und mit hoher Festigkeit. Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass ihre Methode prinzipiell auf alle Metalle übertragbar ist.

Gemeinsam mit seinen Kollegen wählte Hunter Martin von der University of California in Santa Barbara ein feines Pulver aus Aluminium mit Zusätzen aus Zink, Magnesium, Kupfer und weiteren Metallen. Zu diesem Ausgangsstoff für eine industriell wichtige Aluminiumlegierung fügten sie kleine Nanopartikel, bestehend aus einer Zirkonium-Wasserstoff-Verbindung, hinzu. In einem 3D-Drucker schmolz ein Laser dieses Pulvergemisch Punkt für Punkt und Schicht für Schicht auf. Nach kurzem Abkühlen entstand ein metallisches Werkstück, das eine vergleichsweise hohe Festigkeit zeigte – wie in konventionellen Prozessen gegossene Metallteile.

Der Grund für die hohe Festigkeit lag im gleichmäßigen Aufbau der kristallinen Schichten der Aluminiumlegierung. Verantwortlich dafür waren die im Pulver homogen verteilten Nanopartikel, die als Kristallisationskeime wirkten und so ein rissfreies Aushärten ermöglichten. Zum Vergleich fertigten die Forscher mit der gleichen Methode ein Werkstück aus dem gleichen Metallpulver ohne Zusatz der Nanoteilchen. Dieses Bauteil härtete ungleichmäßig aus, zeigte einzelne Risse und zudem eine deutlich geringere Stabilität.

Der Schlüssel zum Erfolg lag also wesentlich in der Wahl der geeigneten Nanopartikel. Über eine eigens entwickelte Software analysierten Martin und seine Kollegen mehr als 4500 verschiedene Pulvermischungen und Nanopartikelzusätze. Dabei berücksichtigten die Forscher wichtige kristallografische Parameter wie Materialdichte, Aufbau und Form der je nach Material zu erwartenden Kristalle. Für das genutzte Metallpulver ermittelte das Programm die Zirkoniumnanopartikel als idealen Zusatz. Nach dem gleichen Prinzip ließen sich prinzipiell für jede Legierung geeignete Nanopartikel finden, um daraus stabile Bauteile in einem 3D-Drucker fertigen zu können.

Die Methode hat ein großes Potenzial für den Einsatz von 3D-Druckern metallischer Bauteile und eröffnet ein neues Feld der Metallurgie. Diese schnell, günstig und in beliebiger Form gefertigten Teile könnten für viele Produkte vom Auto über Flugzeuge bis zu Werkzeugmaschinen genutzt werden. „Wenn sich Zusätze für weitere Legierungen finden lassen, könnte in Zukunft jedes Metall mit 3D-Druckern verarbeitet werden“, schreibt Iain Todd von der University of Sheffield in einem begleitenden Kommentar.