Neues Verfahren zur Herstellung von Wolfram-Legierungen für den 3D-Druck

Die additive Fertigung mit Metall gewinnt an Beliebtheit. Das zeigt unter anderem die steigende Anzahl an 3D-Druck-Unternehmen, die sich auf die Metallfertigung spezialisieren oder Maschinen für den Metall-Druck anbieten. Aluminium, Bronze, Chrom, Edelstahl, Eisen und Kupfer sind nur wenige Beispiele der am gängigsten verwendeten Metallen. Davon sind bereits einige – oft in Form von Legierungen – in der additiven Fertigungsindustrie anwendbar, wobei die Elemente für gewöhnlich durch das Laser- oder durch das Elektronenstrahlschmelzen verarbeitet werden. Ein besonderes Metall, das aufgrund seiner großen mechanischen Festigkeit, hohen Steifigkeit und hohen thermischen Belastbarkeit großes Potential im Bereich der additiven Fertigung – vor allem für den 3D-Druck in der Automobilindustrie sowie in der Luft- und Raumfahrt – aufweist, ist Wolfram. 

Tatsächlich besitzt Wolfram mit rund 3.400 °C den höchsten Schmelzpunkt aller Metalle, was es einerseits perfekt für den Einsatz in der Energie- und Lichttechnik macht, aber auch zugleich dessen Bearbeitung erschwert. Die größte Herausforderung bei der Verwendung von Wolfram in der additiven Fertigung zum aktuellen Stand ist, dass gedruckte Teile oft anfällig für Risse sind, was die Qualität stark beeinträchtigt. Dieses Problem tritt vor allem bei komplexeren, präziseren Formen mit Kurven oder Bohrungen auf, welche wiederum unmöglich mit herkömmlichen Verfahren oder Bearbeitungstechniken modelliert werden können. Doch nun gibt es eine Lösung: Die Bayerische Metallwerke GmbH, die zur in Traunstein ansässigen Gesellschaft für Wolfram Industrie mbH gehört, konnte ein neues Herstellungsverfahren für die Wolfram-Legierungen WNiFe (Wolfram, Nickel und Eisen) sowie WNiCu (Wolfram, Nickel und Kupfer) entwickeln, das sie Anfang 2021 patentieren ließ. 

Immer mehr Metalle können in der additiven Fertigung verwendet werden. (Bildnachweis: 3D Systems)

Diese Herstellungsmethode zeichnet sich durch die mehrphasige Mischkristall-Legierung aus, die in Pulverform gewonnen wird. Dr.-Ing. Hany Gobran, Forschungs- und Entwicklungsmanager bei den Bayerischen Metallwerken, berichtet über seine neue Entwicklung: „Die Besonderheit an unserer Wolfram-Nickel-Eisen-Legierung ist, dass wir sie in Form eines vorlegierten Pulvers gewinnen, das sich als Ausgangsprodukt für 3D-Druck- und Beschichtungsverfahren eignet.“ Bisher wurde lediglich gemischtes Pulver verwendet, um Wolfram auch für Bauteile mit komplexen Geometrien nutzbar zu machen. Im Gegensatz zu dem neuen vorlegierten Pulver von Herrn Gobran haben diese Mischungen unterschiedliche Schmelzpunkte, was dazu führt, dass ein Großteil der zugesetzten Elemente (Nickel und Eisen) während des Schmelzen unkontrolliert verdampft. Dank der Vorlegierung des neuen patentierten Verfahren sind in jedem einzelnen Pulverpartikel alle drei Elemente als mehrphasiges Material verbunden, sodass ihre Zusammensetzung und Verteilung im Endprodukt genau kontrolliert werden kann und kein Verlust der Bindermetalle entsteht.

Die Bayerische Metallwerk GmbH gibt zudem an, dass die Zusammensetzung der Legierung je nach Anwendung angepasst werden kann. Gobran meint: „Je höher der Anteil von Wolfram im Endprodukt ist, desto beständiger verhält es sich gegenüber Aluminiumschmelze und desto besser gestaltet sich auch seine thermische Leitfähigkeit. Spielt dagegen eine gute Duktilität sowie die mechanische Bearbeitbarkeit eine größere Rolle, kann der Wolframanteil in der Legierung auch entsprechend gesenkt werden. Die Zusammensetzung ist also stets an die konkrete Anwendung und die jeweilige Formkomplexität anpassbar.“ Tatsächlich kann auch das Fließverhalten sowie die Korngröße des Pulvers zwischen 10 und 200 µm bestimmt werden. Diese Eigenschaften verleihen der Entwicklung viel Flexibilität, wodurch sie für viele Verfahren geeignet ist und genutzt werden kann – darunter natürlich die additive Fertigung. Nicht zuletzt kann die Wolfram-Legierung auch in wirtschaftlicher und umwelttechnischer Hinsicht überzeugen. So stellt das Legierungsprodukt aufgrund seiner hohen Dichte nicht nur eine gute Alternative für giftiges Blei dar, sondern wird laut Nabil Gdoura, Forschungs- und Entwicklungsingenieur bei der Bayerische Metallwerke GmbH, auch aus Reststücken oder Spänen hergestellt, sodass Abfallprodukte aus herkömmlichen Verfahren in den Wertstoffkreis zurückgeführt und upcycelt werden können. 

Die wichtigsten Eigenschaften von Wolfram. (Bildnachweis: Wolfram Industrie)

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*Titelbildnachweis: eos GmbH