Der 3D-Druck wird in der Luft-und Raumfahrt, sowie beim Fahrzeugbau immer häufiger genutzt. Tatsächlich ermöglicht die Technologie kostengünstigere, lokal gefertigte Bauteile, sodass lange und komplexe Lieferketten umgangen werden können. Doch in sicherheitsrelevanten Bereichen dieser Branchen kann es zu Qualitätsproblemen kommen – Bauteile müssen hochqualitativ gefertigt sein, um Sicherheitsstandards einzuhalten. Das Forschungsteam unter Prof. Dirk Bähre an der Universität des Saarlands hat sich nun zum Ziel gesetzt, den 3D-Druck präziser zu machen. Genauer gesagt, 3D-Metallbauteile mit Schall feiner herzustellen.
Das erste Ergebnis des Teams: Dr. Oliver Maurer entwickelte eine Methode, um mit Pulverbett-Laser hergestellte Metallbauteile erheblich feiner und qualitativ hochwertiger zu gestalten. Das Prinzip lässt sich mit einer Betonmischung vergleichen – rüttelt man Beton, dann wird er stabiler und tragfähiger. Auch Metallpulver in einem Pulverbett kann so stabiler gemacht werden. Beim Schmelzprozess bilden sich durch das „Rütteln“ Metallkristalle in kleinmaschigen Strukturen. Doch wie wird das Rütteln in den Prozess eingebracht? Durch Schall! Um den Druckprozess nicht zu stören, muss die „Rüttelbewegung“ hochpräzise sein und wie Dr. Maurer betont: „Schall lässt sich sehr exakt kontrollieren und dosieren.“
Die Struktur eines Bauteils unter dem Mikroskop. Herkömmliche Pulverbett Technologie (links) zeigt gröbere Orientierungen, während die akustisch assistierte Pulverbett Methode (rechts) eine variantenreichere und zufälligere Struktur aufweist
Wie wurde Schall in den Druckprozess eingebaut?
Der Doktorand baute ganz einfach einen Lautsprecher unter die Substratplatte. Beim Druckprozess hebt oder senkt der Schall gezielt die Pulveroberfläche und beeinflusst, wie das geschmolzene Metall erstarrt. Das Pulver wird so durch den Schall gezielt verdichtet. So Maurer: „Dadurch reduzieren sich Poren, die Mikrostruktur der Metallschichten wird homogener, die Oberfläche glatter und die Bauteile sind sogar geometrisch genauer. Der Schmelzprozess läuft mit diesem neuen Verfahren kontrollierter ab.”
Ebenfalls ermöglicht die Schallmethode die Fertigung von stabileren Metallbauteilen. Durch das gezielte Rütteln können Löcher oder Hohlräume minimiert werden. Stattdessen treffen Metallkristallite während des Schmelzprozesses schneller auf Nachbarkristallite, sodass die Struktur des Gesamtteils dichter miteinander vernetzt wird. Dies ist natürlich nicht einfach nur durch eine bloße Beschallung zu erreichen – genaue Paramater musste von den Forschenden in jahrelangen Versuchen definiert werden. So müssen Laserleistung und -geschwindigkeit, die Dicke der Pulverschicht und die Charakterisierung der Metallart im Einklang sein, um die Fertigung mit Schall optimal zu nutzen. Erforscht wurde die Methode bisher mit einer Alulegierung, doch laut Maurer ist das Verfahren auch auf andere Legierungen übertragbar. “Wichtig ist jedoch immer, den gesamten Prozess, insbesondere die Frequenz der Beschallung maßgeschneidert abzustimmen”, so der Experte. Mehr Informationen finden Sie HIER.
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*Bildverweise: Universität des Saarlands