Werkstoffe Neue Legierungen aus dem 3D-Drucker

Bei der Empa kriegen Forscher bekanntlich so allerhand gebacken. Neuester Coup: Metall-Werkteile aus dem 3D-Drucker, die in Flächen mit unterschiedlichen Eigenschaften unterteilt sind. Man verspricht sich davon unter anderem effizientere Elektromotoren.

Im 3D-Laserdrucker werden innerhalb von Millisekunden Temperaturen von mehr als 2500 Grad Celsius erreicht. Das überstehen nicht alle Legierungen unbeschadet, bei manchen verdampfen einzelne Bestandteile.

Forscher an der Empa haben diese Schwäche jetzt in eine Stärke verwandelt, indem sie im 3D-Drucker Werkteile herstellten, deren Eigenschaften gezielt kleinräumig verändert wurden. Hergestellt haben sie zum Beispiel ein winziges Schachbrett, in dem die einen Quadrate magnetisch sind und die anderen nicht, obwohl das Werkstück aus ein und demselben Metallpulver besteht.

Der Versuch, der wie eine Spielerei wirkt, könnte die Methodik der Metallherstellung und -verarbeitung bald um ein entscheidendes Werkzeug erweitern, wie ein Empa-Team um Ariyan Arabi-Hashemi und Christian Leinenbach am Donnerstag mitteilte.

Bessere Magnetfelder – sparsamere Motoren

«Beim 3D-Druck erreichen wir lokal spielend Temperaturen von mehr als 2500 Grad Celsius», so Leinenbach. «Damit können wir gezielt verschiedene Bestandteile einer Legierung verdampfen – z. B. Mangan, Aluminium, Zink, Kohlenstoff und mehr – und so die chemische Zusammensetzung lokal verändern.» Die Methode sei nicht auf Edelstahle beschränkt, sondern könne auch für viele andere Legierungen nützlich sein.

Die Möglichkeit, Legierungen mikrometergenau in einem Bauteil zu erzeugen, könnte auch beim Bau neuer, effizienterer Elektromotoren hilfreich sein, sind die Wissenschaftler überzeugt. «Erstmals bietet sich so die Möglichkeit, Stator und Rotor des E-Motors aus magnetisch feinstrukturierten Materialien zu bauen, um die Geometrie der Magnetfelder besser auszunutzen».

Weltweit führend beim Material-Know-How

Entscheidend für die Entdeckung des Zusammenhangs zwischen Laserleistungs-Grösse des Schmelzpools und Materialeigenschaften war das Knowhow im Bereich «Additive Manufacturing», das an der Empa seit rund neun Jahren aufgebaut wird. Seither widmet sich das Team um Christian Leinenbach als eine der weltweit führenden Arbeitsgruppen den materialwissenschaftlichen Fragestellungen rund um 3D-Laserdruckverfahren.

Zugleich sammelten die Empa-Forscher Erfahrung bei der Prozessüberwachung, speziell dem Vermessen der Schmelzpools, deren Grösse und Lebensdauer entscheidend fürs gezielte Modifizieren von Legierungen ist.