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Neuartiges 3D-Kompositmaterial kann das Gewicht von Komponenten für Luft- und Raumfahrt um 20 Prozent reduzieren.

Alu-Pulver sorgt für höhere Festigkeit

23.10.2019

Werkstoffforschung. Ein innovatives Pulver könnte im 3D-Druck den Ersatz von Titan durch Aluminium-Verbundwerkstoffe vorantreiben.

Im nun vorgestellten Forschungsprojekt richtete sich der Fokus der russischen Materialwissenschaftler vor allem darauf, das Gewicht der Komponenten unter Beibehaltung der Festigkeitseigenschaften zu reduzieren.

Wissenschaftler der russischen National University of Science and Technology (NUST) haben unter der Leitung von Professor Alexander Gromov ein Verfahren zum 3D-Druck von aluminiumbasierten („Alumomatrix“-) Verbundwerkstoffen mit keramischen Füllstoffen entwickelt. Das Spezialpulver ermöglichte es, die Festigkeit der Bauteile um bis zu 20 Prozent zu erhöhen.

„Beim 3D-Druck von Aluminiumkomponenten werden hauptsächlich so genannte Silumine (Legierungen aus Aluminium mit Silizium, insbesondere die Verbindung Al-Si-10Mg) als Rohstoffe verwendet“, erklärt Alexander Gromov „Die Anforderungen in der Luft- und Raumfahrtindustrie wachsen jedoch, und die Wissenschaftler sind auf der Suche nach neuen Zusammensetzungen von Alumomatrix-Verbindungen (auch dotierten), um Komponenten mit verbesserter Leistung (Festigkeit, Härte, Rissbeständigkeit) und niedrigen Kosten im Vergleich zu Legierungen mit Seltenen Erden zu erhalten.“

Jährliche Verdoppelung des Marktes

Die jährliche Wachstumsrate des globalen Marktes für Additive Fertigung (Additive Manufacturing - AM) liegt bei über 100 Prozent, was sich u.a. durch gravierende Vorteile von Additivtechnologien für Metalle im Vergleich zu traditionellen Technologien wie etwa Gießen erklären lässt. Vorteile wie zum Beispiel die Fähigkeit, komplexe 3D-Komponenten zu erstellen, das Gewicht einer Komponente durch Optimierung des Designs zu reduzieren, die Festigkeit von Komponenten zu erhöhen, und die Möglichkeit der schnellen Herstellung von Bauteilen mit komplexer Form auch im kleinen Maßstab. Daher sind Verfahren für den 3D-Metalldruck vor allem in Luft- und Raumfahrt besonders gefragt.

Titan vs. Aluminium

Das heute im Flugzeugbau hauptsächlich verwendete Metall ist Titan. Es ist langlebig, korrosionsfrei und belastbar, hat aber als einzigen wesentlichen Nachteil eine hohe Dichte von 5,4 g/mm. Leichtes und gleichzeitig duktiles (=nicht sprödes) Aluminium hat eine Dichte von 2,7 g/mm, ist also nur halb so schwer, allerdings bei deutlich geringer Festigkeit als Titan. Deshalb suchen Wissenschaftler nach Wegen, Aluminium fester zu machen. Im nun vorgestellten Forschungsprojekt richtete sich der Fokus der russischen Materialwissenschaftler vor allem darauf, das Gewicht der Komponenten unter Beibehaltung der Festigkeitseigenschaften zu reduzieren.

„Durch das Härten von keramischen Additiven direkt im Prozess des 3D-Drucks ist es uns gelungen, die Festigkeit von Aluminiumpulvern zu erhöhen“, erklärt Alexander Gromov. Es galt bislang als unmöglich, etwa mit SLM-Druckern (Selective Laser Melting) solche Verbundwerkstoffe zu erzeugen. Die Moskauer Entwickler haben nun aber aus dem neuen Pulvermaterial erstmals experimentelle Proben auf einem konventionellen SLM-280 HL Drucker hergestellt. Die dabei angewandten Methoden ermöglichen laut Prof. Gromov eine größere Flexibilität im Design, eine Verkürzung der Produktionszeit und vor allem eine Gewichtsreduktion der erzeugten Komponenten um bis zu 20 Prozent.

Autor/in:
Redaktion Metall
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