3D-gedruckte Hochtemperatur-Supraleiter
Nach additiver Fertigung komplexer Bauteile aus YBCO lässt sich die prozessbedingt reduzierte Supraleitfähigkeit durch gezielte Wärmebehandlung wiederherstellen.
Forschende des Lehrstuhls Digital Additive Production (DAP) und des Physikalischen Instituts III der RWTH Aachen entwickeln eine Prozesskette zur additiven Fertigung geometrisch komplexer Bauteile aus dem Hochtemperatur-Supraleiter Yttrium-Barium-Kupferoxid (YBCO). Dabei zeigen sie, dass die prozessbedingte reduzierte Supraleitfähigkeit der Probekörper durch eine gezielte Wärmebehandlung wiederhergestellt werden kann. Die Arbeiten sind unter anderem im Kontext der Entwicklung einer supraleitenden Spule für das geplante Einstein-Teleskop relevant.
Technologisch etabliert sind bislang vor allem Niedertemperatur-Supraleiter. Hochtemperatur-Supraleiter wie Yttrium-Barium-Kupferoxid (YBCO) bieten demgegenüber günstigere Betriebsbedingungen, da sie mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden können. Ihre Nutzung ist jedoch bislang auf wenige, stark vorgegebene Bauformen beschränkt.
Additive Fertigungsverfahren können grundsätzlich neue Freiheitsgrade in der Bauteilgestaltung eröffnen. Gleichzeitig stellen die komplexen materialphysikalischen Eigenschaften von YBCO hohe Anforderungen an die gesamte Prozesskette. YBCO ist eine spröde Oxidkeramik mit komplexer, sauerstoffabhängiger Kristallstruktur. Die supraleitenden Eigenschaften von YBCO reagieren empfindlich auf Veränderungen der chemischen Zusammensetzung und der Sauerstoffordnung im Kristallgitter.
Die im additiven Prozess wirkenden, stark ausgeprägten Temperaturgradienten und atmosphärischen Bedingungen beeinflussen die Gefügeausbildung und die Porosität des Materials unmittelbar. Vor diesem Hintergrund untersuchen die Forschenden systematisch das Zusammenspiel von Material, Prozessführung und Geometrie im pulverbettbasierten Laserstrahlschmelzen (PBF-LB). Dazu entwickeln sie eine prozessgeeignete Pulveraufbereitung und eine angepasste Fertigungsstrategie mit dem Ziel, die für die Supraleitung relevante Phasenstruktur Y-123 entlang der Prozesskette zu erhalten.
Bei der Entwicklung des YBCO-Pulvers aus Yttriumoxid, Kupferoxid und Bariumcarbonat stellten die Forschenden die Partikelgröße, Fließfähigkeit sowie chemische Zusammensetzung gezielt ein, um gleichmäßige Pulverschichten mit reproduzierbarer Qualität im PBF-LB zu erreichen. Darauf aufbauend wurden zentrale Verfahrensparameter so angepasst, dass eine ausreichende Partikelanbindung erfolgt und zugleich die thermische Belastung der für die Supraleitung entscheidenden Phasenstruktur begrenzt bleibt.
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Erste Probekörper konnten durch eine zweifache Belichtung mit defokussiertem Laserstrahl in reproduzierbarer Geometrie gefertigt werden. Funktional zeigten sie zunächst jedoch keine nachweisbaren supraleitenden Eigenschaften. Phasenanalysen belegten Veränderungen in der Gefügestruktur sowie einen reduzierten Anteil der supraleitenden Y-123-Phase.
Durch eine gezielte Wärmebehandlung in sauerstoffhaltiger Atmosphäre ließen sich die supraleitenden Eigenschaften wiederherstellen. Die Proben zeigten anschließend den charakteristischen Widerstandsabfall bei tiefen Temperaturen sowie ausgeprägte diamagnetische Effekte im Meißner-Versuch (Bild).
Damit wird deutlich, dass die im additiven Prozess induzierten Gefügeänderungen nicht irreversibel sind, sondern gezielt über nachgelagerte Prozessschritte korrigiert werden können. „Der systematische Vergleich von Pulver, lasergefertigtem Zustand und wärmebehandelter Struktur erlaubt eine klare Zuordnung der Phasenentwicklung und ihrer Auswirkungen auf die supraleitenden Eigenschaften entlang der additiven Prozesskette“, betont Wissenschaftler Jonas Boseila. „Damit wird nachvollziehbar, unter welchen prozessualen Bedingungen sich supraleitende Eigenschaften erhalten oder wiederherstellen lassen.“
Während die Wiederherstellung der supraleitenden Eigenschaften gelang, zeigte sich hingegen, dass die mechanische Stabilität der additiv gefertigten Strukturen einen begrenzenden Faktor darstellt – ein zentraler Engpass für die Überführung in belastbare Bauteilanwendungen.
Weitere Arbeiten konzentrieren sich aus diesem Grund darauf, diese Grenze prozessseitig zu adressieren und die Materialeigenschaften der gefertigten Probekörper zu optimieren. Untersucht wird dazu unter anderem der Ansatz der Silber-Infiltration, mit dem Ziel, die mechanische Stabilität, Rissresistenz und elektrische Kontaktierung zu verbessern. „Dazu soll der PBF-LB-Prozess zu einem multimaterialfähigen Prozess weiterentwickelt werden, bei dem das Silber in-situ integriert wird“, erklärt Jonas Boseila, „Das eröffnet völlig neue Möglichkeiten, Materialeigenschaften innerhalb eines Bauteils gezielt anzupassen und ist ein entscheidender Schritt hin zu funktional optimierten Komponenten. So bestimmt künftig nicht mehr die Fertigung das Bauteil, sondern allein seine Funktion.“
Ergänzend werden alternative Energiequellen, Substrate sowie beheizte Bauplattformen betrachtet, um thermisch induzierte Spannungen zu reduzieren und die Prozessstabilität zu erhöhen. Ziel ist es, die supraleitenden Eigenschaften weiter zu stabilisieren und gleichzeitig strukturell belastbare, geometrisch komplexe Bauteile mit hoher Detailauflösung zu realisieren.
Auf Basis dieser Erkenntnisse soll die Fertigung einer supraleitfähigen Spule folgen, um anwendungsspezifische Anforderungen an Stabilität, Integration und Funktion weitergehend zu untersuchen. Eine solche Spule ist unter anderem als magnetisch-induktiver Aktor im geplanten Einstein-Teleskop relevant. [RWTH / dre]
