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Forscher entwickeln robuste Aluminium-Stahl-Legierung mittels 3D-Metalldruck für den Automobilbereich

Am 24. Dezember 2024 von Kaja F. veröffentlicht

Stabile und robuste Teile sowie die Gewichtsreduzierung im Automobilbereich sind von zentraler Bedeutung und mittlerweile zu einem immer wichtigeren Trend geworden, da sie die Sicherheit und Langlebigkeit eines Fahrzeugs gewährleisten. Neueste Materialentwicklungen, die dank der additiven Fertigung entstanden sind, könnten nun einen bedeutenden Durchbruch in der zukünftigen Automobilindustrie darstellen. Forscher am Institut für Materialforschung und dem New Industry Creation Hatchery Center der Tohoku University in Japan haben erfolgreich ein 3D-Druckverfahren entwickelt, welches Stahl und Aluminium verbindet und somit eine leichte sowie stabile Legierung erzeugt. Diese Legierung wurde bereits erfolgreich bei der Produktion eines Prototypes in der Automobilindustrie verwendet.

Für die Herstellung der Aluminium-Stahl-Legierung kam der 3D-Metalldruck, insbesondere das Laser-Pulverbett-Schmelzen, zum Einsatz. Hierbei wird Metallpulver schichtweise aufgetragen und dann durch einen Laserstrahl gezielt geschmolzen. Der Laser schmilzt das Pulver an den vorgesehenen Stellen, wodurch die Materialien schrittweise miteinander verbunden werden. Außerdem bietet die 3D-Technologie den Vorteil, Materialabfälle zu minimieren und gleichzeitig die Fertigung komplexer und individueller Strukturen zu ermöglichen. Dank des 3D-Metalldrucks entstand eine Multi-Material-Struktur, welche unterschiedliche Werkstoffe miteinander verbinden konnte und somit die Leistung einzelner Komponenten optimierte. Durch das Anwenden dieser Struktur im Automobilbau könnten Bauteile zukünftig leichter werden, ohne an Stabilität zu verlieren. 

Untersuchung der Auswirkungen unterschiedlicher Lasergeschwindigkeiten auf die Herstellung Komponenten aus Stahl und einer Aluminium-Legierung, um spröde Verbindungen zu minimieren. (Bild: Tohoku University)

Aber die Anfertigung der Legierung brachte auch Herausforderungen mit sich. Associate Professor Kenta Yamanaka von der Tohoku University betont: „Bei bestimmten Metallkombinationen, wie etwa Stahl und Aluminium, können spröde intermetallische Verbindungen entstehen, die die Festigkeit des Bauteils beeinträchtigen.“ So war eine der größten Schwierigkeiten bei der Kombination von Stahl und Aluminium das Entstehen der Verbindungen von  Al₅Fe₂ und Al₁₃Fe₄. Diese traten auf, da während des Schweißprozesses ein lokales thermisches Ungleichgewicht entstand, das die Konzentration gelöster Elemente auf der Flüssigphasenseite ansteigen ließ. Jedoch konnten die Forscher das Problem schlussendlich umgehen, indem sie die Abkühlraten erhöhten und die Lasergeschwindigkeit während des Druckvorgangs steigerten, was die  Bildung der unerwünschten Verbindungen unterdrückte. Darüber hinaus wurde dieses Problem durch den Mechanismus der Nichtgleichgewichts-Solidifikation gelöst, der eine gleichmäßige Verteilung der Legierungselemente ermöglichte und die Bindungsstellen zwischen den Materialien verstärkte.

„Mit anderen Worten, man kann nicht einfach zwei Metalle zusammenfügen und erwarten, dass sie ohne weiteres haften. Wir mussten den Legierungsmechanismus vollständig verstehen, um erfolgreich zu sein“, erklärt Professor Seungkyun Yim von der Tohoku University. Nach Überwindung der Herausforderungen wurde die Legierung bereits erfolgreich für die Produktion einer funktionsfähigen Automobilkomponente verwendet und konnte sich perfekt an die Anforderungen des Automobilbaus anpassen. Auch zukünftig sollen die Erkenntnisse auf andere Metallkombinationen übertragen werden, was den Anwendungsbereich erheblich erweitern könnte. HIER erfahren Sie mehr über die Aluminium-Stahl-Legierung.

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*Titelbildunterschrift: Originalgroßer Prototyp eines topologisch optimierten Automobil-Aufhängungsdoms, hergestellt mittels L-PBF, Titelbildnachweis:  Kenta Yamanaka et al.

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