DED-3D-Druck verhilft zur Entwicklung neuer Legierung aus Bronze und Stahl

Eine Gruppe von Forschern des Skolkowo-Instituts für Wissenschaft und Technologie (Skoltech) hat nach eigenen Angaben mit Hilfe der additiven Fertigung eine neue Bronze-Stahl-Legierung entwickelt. Sie nutzten das Verfahren der Laser Deposition, um verschiedene Teile aus diesen beiden Metallen herzustellen – eine Premiere auf dem Markt. Dabei wurden zwei Techniken angewandt: Im ersten Fall wurde vor dem Auftragen der Schichten eine Mischung der beiden Metalle hergestellt, im zweiten Fall wurden abwechselnd Schichten aus Bronze und Stahl aufgetragen. Den Forschern zufolge könnte diese Arbeit besonders für die Luft- und Raumfahrtindustrie interessant sein, insbesondere für den Bau von Brennkammern für Flugzeuge und Raketen.

Es ist nicht ungewöhnlich, zwei Materialien zu kombinieren, um die Vorteile ihrer jeweiligen Eigenschaften zu nutzen – dies ist beispielsweise die Richtung, in die sich der 3D-Druck von Verbundwerkstoffen schnell entwickelt. In diesem speziellen Fall wurden die beiden Materialien ausgewählt, weil sie sich gegenseitig ergänzen. Bronze ist bekannt für seine Korrosionsbeständigkeit, gute elektrische Leitfähigkeit und hohe Verschleißfestigkeit. Stahl hingegen ist bruch- und stoßfest, elektrisch verformbar und hat eine hohe Härte. Bei diesem Projekt handelt es sich um eine Premiere, denn es wurde eine Bronze-Stahl-Legierung geschaffen, die der Materialwissenschaft bisher unbekannt war. Und das alles dank der additiven Fertigung.

3D-gedrucktes Teil, um die mechanischen Eigenschaften der neuen Legierung zu testen (Bild: Konstantin Makarenko/Skoltech

Konkret nutzten die Forscher die Direct Laser Deposition (die wie die Directed Energy Deposition funktioniert), um ihr Projekt zu entwickeln. Zunächst mussten sie eine nahezu homogene Legierung herstellen, indem sie die beiden Materialien gleichmäßig mischten. Diese Legierung wurde dann von der Maschine verwendet, um mehrere Testteile zu entwerfen. Die andere Technik bestand darin, „Sandwich“-Teile zu drucken, d. h. Teile, die aus jeweils 0,25 Millimeter dicken Schichten aus Bronze und Stahl bestehen. Die Forscher erklären, dass sie den Bronzeanteil jedes Mal variierten – von 25 bis 50 % – während der Stahlanteil gleich blieb.

Professor Igor Shishkovsky von Skoltech erklärte: „Der 3D-Druck ist vielversprechend für die Herstellung von Verbundwerkstoffteilen, die mit den Eigenschaften der beiden unterschiedlichen Materialien ausgestattet sind, aus denen der Verbundwerkstoff besteht. Nehmen wir zum Beispiel an, dass Stahl den hohen Temperaturen standhält, die bei der Verbrennung von Kraftstoff in einem laufenden Motor entstehen. Das ist großartig, aber im Vergleich zu Bronze ist Stahl ein bescheidener Wärmeleiter, so dass das Kühlmittel des Motors die Wärme nicht so effektiv ableiten kann, um Überhitzung und Schäden zu vermeiden. Mit dem 3D-Druck kann man das Beste aus beiden Welten verbinden, indem man eine Verbrennungskammer herstellt, die nahtlos von Bronze auf der Innenseite für ein besseres Temperaturmanagement zu Stahl auf der Außenseite übergeht, um die Struktur zusammenzuhalten.“

Ein 3D-gedrucktes Teil mit einer quasi-homogenen Bronze-Stahl-Mischung (Bild: Konstantin Makarenko/Skoltech)

Schließlich stellte die Studie fest, dass die Materialien gut miteinander verschmolzen waren und keine Anomalien auftraten. Anschließend führten die Forscher eine Reihe von Tests durch, um die strukturellen und mechanischen Eigenschaften der neuen Legierung mit Hilfe der optischen und Rasterelektronenmikroskopie zu untersuchen. Konstantin Makarenko, Doktorand im vierten Jahr bei Skoltech Materials, fasst zusammen: „Jetzt, da wir bestätigt haben, dass Stahl und Bronze in einer Legierung kombiniert werden können und mit dem 3D-Druck durch direkte Laserabscheidung kompatibel sind, und wir die mechanischen Eigenschaften des neuen Materials kennen, können wir seine möglichen Anwendungen untersuchen. In Zukunft möchte ich bei Skoltech eine Brennkammer aus Stahl und Bronze herstellen und testen, aber darüber hinaus sind auch andere Teile und Metallkombinationen möglich. Der nächste Schritt wäre die Herstellung von Turbinenschaufeln aus einer verstärkten Superlegierung mit Kühlkanälen aus Bronze. Es geht darum, die Vorteile zweier unterschiedlicher Werkstoffe in einem nahtlosen Produkt ohne Schweiß- oder andere Verbindungsstellen zu kombinieren.“ Wir werden Sie über die nächsten Schritte dieses Projekts auf dem Laufenden halten! In der Zwischenzeit können Sie HIER weitere Informationen finden.

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*Titelbildnachweis: Konstantin Makarenko