3D-Druck mit Titan, Nickel und Stahl

Die additive Fertigung hat in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte in der Produktionsindustrie gemacht. Bauteile können schichtweise erstellt werden, was zu einzigartigen Materialeigenschaften führt. Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) hat jetzt erstmals Referenzdaten zu additiv gefertigten Werkstoffen aus Titan, Nickel und einem nichtrostenden Stahl veröffentlicht. Mit ihnen lässt sich die Qualität und Sicherheit von Bauteilen gewährleisten und die Materialentwicklung im 3D-Druck vorantreiben.

Insbesondere in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Medizin­technik ist die Sicherheit der Materialien von hoher Bedeutung, da fehlerhafte Bauteile schwerwiegende Konsequenzen haben können. Die einzigartigen Mikro­strukturen, die durch die additive Fertigung entstehen, beeinflussen mechanische, thermische und chemische Eigenschaften eines Bauteils, wie beispielsweise seine Festigkeit oder Korrosions­beständigkeit. „Um potenzielle Risiken zu minimieren und die Qualität der 3D-gedruckten Komponenten sicherzustellen, sind verlässliche Referenzdaten unabdingbar“, so Birgit Skrotzki, Werkstoff­wissenschaftlerin an der BAM. „Unsere Referenzdaten zu den elastischen Eigenschaften von additiv gefertigten Metallen stellen einen wichtigen Beitrag dar, der nicht nur die Qualität und Sicherheit dieser Bauteile gewähr­leistet, sondern auch Innovationen in der Materialentwicklung ermöglicht.“

Das Team um Birgit Rehmer und Birgit Skrotzki der Abteilung Werkstoff­technik und des Kompetenz­zentrums Additive Fertigung der BAM hat drei Metalllegierungen mittels der Dynamischen Resonanz Methode (DRM) charakterisiert. Dabei wurde das Material mit einem periodischen mechanischen Impuls angeregt und die resultierenden Resonanz­frequenzen gemessen. Heraus­gefunden haben sie dabei beispielsweise, dass 3D-gedruckte Bauteile je nach Baurichtung und je nach Entnahmerichtung der Proben deutliche Unterschiede in den elastischen Eigenschaften aufweisen.

Die Richtungsabhängigkeit, die bei allen untersuchten Temperaturen auftritt, hat Auswirkung auf die Verwendung in spezifischen Anwendungen, wie etwa Turbinen­schaufeln. Dies muss bei der Gestaltung von Komponenten berücksichtigt werden, bei denen die Belastungs­richtung eine Rolle spielt. Die Parameter des additiven Fertigungs­prozesses beeinflussen die Eigenschaften ebenfalls. Eine geringere Pulver­schichtdicke resultiert etwa für den nichtrostenden Stahl in höheren Werten der elastischen Kennwerte.

Die umfangreichen Datensätze enthalten Informationen zu den Herstellungs­verfahren und Parametern, Wärme­behandlungen, Korngröße, Proben­dimensionen und -gewicht zusammen mit ihren Messunsicherheiten. Sie können von Konstruk­teuren, Prüflaboren und Forschenden genutzt werden, um die Leistung von additiv gefertigten Materialien zu bewerten, Qualitätsprüfungen durch­zuführen und Simulationen zu verbessern. Die Referenzdaten stehen ab sofort über die Open-Data-Plattform Zenodo zur Verfügung.

BAM / JOL