Beim Metall-3D-Druck lässt sich das Pulver mittlerweile sehr präzise aufschmelzen, doch was beim Abkühlen und Erstarren des Metalls geschieht, blieb bislang weitgehend dem Zufall überlassen. Wer im Bereich Laser-Pulverbettschmelzen (LPBF) tätig ist, kennt die Folgen: Eigenspannungen, Rissbildung, Schwankungen von Bauteil zu Bauteil sowie umfangreiche Wärmebehandlungen und Qualifizierungsprüfungen. Infolgedessen lassen sich heute nur wenige Legierungen zuverlässig drucken.
Das US-Startup MatterWave hat sich zum Ziel gesetzt, diese Abkühlphase zu steuern. Sein Nachrüstmodul „Daedalus“ wird an der Bauplattform eines bestehenden Metall-3D-Druckers installiert und leitet während der Erstarrung gezielt abgestimmte mechanische Schwingungen in das Schmelzbad ein, wodurch die Kristallstruktur des Metalls in Echtzeit gezielt beeinflusst wird. Ersten Angaben von MatterWave zufolge konnte die Ermüdungslebensdauer gegenüber konventionell gefertigten Bauteilen um bis zu den Faktor zehn gesteigert werden.
Vom Labor in Hongkong zum Nachrüstmodul
Alex Tiliță, CEO und Gründer von MatterWave, beschäftigte sich über 15 Jahre lang mit der Forschung zur additiven Metallfertigung, unter anderem im Rahmen seiner Promotion und Postdoc-Tätigkeit an der Hong Kong University of Science and Technology. Auf der Grundlage der Wellenphysik kam er zu dem Schluss, dass eine geringe Ermüdungslebensdauer, eine geringe Reproduzierbarkeit und die Notwendigkeit von Wärmebehandlungen auf die Art und Weise zurückzuführen sind, wie sich Kristallstrukturen während des Abkühlvorgangs bilden.
Ursprünglich hatte MatterWave geplant, einen eigenen Drucker zu entwickeln. Nach dem Umzug in die USA kam das Team jedoch zu dem Schluss, dass kommerzielle LPBF-Anlagen bereits ausgereift genug waren. Daher entschied sich das Team, ausschließlich die eigene Kerntechnologie weiterzuentwickeln, anstatt eine komplette Maschine von Grund auf neu zu bauen.
Wie Daedalus funktioniert
Während Druckerhersteller das Aufschmelzen von Metallpulver inzwischen gut kontrollieren können, blieb der Abkühlprozess bislang weitgehend unbeeinflusst. Das Modul – im Wesentlichen eine Anordnung mehrerer Wandler – leitet während der Erstarrung des Schmelzbads Schwingungen mit bestimmten Frequenzen und Amplituden ein und beeinflusst so direkt die Keimbildung und Ausrichtung der Kristalle. Die Frequenz wird dabei gezielt auf die thermomechanischen Eigenschaften des jeweiligen Materials abgestimmt.
Bei diesen Schwingungen handelt es sich um Phononen – das mechanische Gegenstück zu Photonen. Da das Modul lediglich an den Bauraum des Druckers angebunden werden muss, lässt es sich an praktisch jeden Metall-3D-Drucker anpassen; den größten Nutzen bietet es dabei für schmelzbasierte Verfahren wie LPBF und Directed Energy Deposition (DED).
Erschließung neuer Legierungen
Ein großes Potenzial des Systems liegt darin, bislang schwer verarbeitbare Materialien für den 3D-Druck zugänglich zu machen, die zur Rissbildung neigen. Risse entstehen häufig durch Kristallbildung. Bei kohlenstoffreichen Stählen kann beispielsweise im Kristallgitter eingeschlossener Kohlenstoff zur Versprödung beitragen. Mit Daedalus setzt die Kristallbildung früher ein. Dadurch können Legierungselemente aus dem Kristallgitter herausdiffundieren, sodass eine Struktur mit geringeren Eigenspannungen und höherer Duktilität entsteht.
Auf der International Conference on Advanced Manufacturing (ICAM) bekundeten potenzielle Kunden großes Interesse an schwer zu verarbeitenden Werkstoffen wie der Aluminiumlegierung 7075, Hastelloy, Werkzeugstählen und verschiedenen Inconel-Legierungen.
Den Engpass bei der Qualifizierung überwinden
MatterWave hat Daedalus in einer EOS M 290 installiert und im Rahmen eines Auftrags aus der Luft- und Raumfahrtindustrie mit der Qualifizierung von Inconel 718 begonnen. Die Qualifizierung eines additiven Fertigungsverfahrens für Metall dauert typischerweise ein bis zwei Jahre und verursacht Kosten von rund einer Million Dollar, was vor allem auf Unterschiede zwischen einzelnen Bauteilen sowie zwischen verschiedenen Maschinen zurückzuführen ist. Durch die Reduzierung dieser Schwankungen möchte MatterWave die Qualifizierungsprozesse beschleunigen.
Die langfristige Vision, die MatterWave als „programmierbare Materie“ bezeichnet, besteht darin, Bauteile bereits während des Druckprozesses mit gezielt eingestellten mechanischen Eigenschaften auszustatten und so Nachbearbeitungsschritte wie Spannungsarmglühen und heißisostatisches Pressen (HIP) zu reduzieren oder ganz zu eliminieren.
Wie geht es weiter?
MatterWave arbeitet derzeit als Subunternehmer an einem durch das US-amerikanische Small Business Innovation Research (SBIR)-Programm geförderten Projekt. Während die zugrunde liegenden physikalischen Prinzipien bereits seit 2017 wissenschaftlich untersucht und bestätigt wurden, konzentriert sich das Startup nun darauf, die Leistungsfähigkeit seiner Technologie unter kommerziellen Bedingungen nachzuweisen und strebt eine breitere Markteinführung in etwa zwei Jahren an.
Weitere Informationen zu MatterWave finden Sie HIER auf der Website des Unternehmens.
Könnten Nachrüstlösungen wie Daedalus der Schlüssel dazu sein, neue Legierungen für den Metall-3D-Druck zu erschließen?
*Bild: MatterWave