Institut für Werkstofftechnik investiert in innovative Technologie
Seit wenigen Jahren befindet sich der 3D-Druck, eine innovative Technik zur schnellen, formlosen Herstellung von komplizierten Bauteilen und Geometrien weltweit auf dem Vormarsch. Die Anfänge des heutigen 3D-Druckes liegen im Jahr 1983, als der US-Amerikaner Chuck Hull [CNN:The night i invented 3D printing] das damals als Stereolithografie bezeichnete Verfahren entwickelte und im Jahre 1986 die erste Patentanmeldung publizierte.
Neue, preisgünstige Geräte und Anlagen verhelfen diesen Verfahren zu einem rasanten Einzug in den Massenmarkt. Aufgrund der Möglichkeit, endformnahe Bauteile ohne aufwendige Gießformen oder umfangreiche, spanende Nachbearbeitung herzustellen, werden diese wesentlichen Vorteile der schnellen Fertigung sowohl für Prototypen, kleine Stückzahlen, aber auch zunehmend in der Serienproduktion genutzt. Zu den wichtigsten Techniken des 3D-Druckens gehören: das selektive Laserschmelzen und das Elektronenstrahlschmelzen für Metalle sowie das selektive Lasersintern für Polymere, Keramik und Metalle.
Die modernen 3D-Verfahren bieten aufgrund ihrer ausgereiften, flexiblen Technik die Möglichkeit, diese auch in der Forschung anzuwenden, um letztlich die entstehende Mikrostruktur der Werkstoffe, die Beeinflussung der Eigenschaften der Bauteile durch die Herstellungsparameter und die Anwendung für neue Werkstoffe und Werkstoffkombinationen zu erforschen.
Dazu wurde im März 2017 am Institut für Werkstofftechnik der Technischen Universität Bergakademie Freiberg im Rahmen des Sonderforschungsbereiches (SFB) 799 eine Elektronenstrahlschmelzanlage (engl. Electron Beam Melting; EBM) der schwedischen Firma ARCAM AB in Betrieb genommen. Die Maschine dient der additiven Fertigung metallischer Werkstoffe und Bauteile, auch „3D-Druck“ genannt. Das Verfahren basiert auf der lokalen Verschmelzung von Pulver des gewünschten Materials, wobei ein leistungsstarker Elektronenstrahl als Energiequelle zum Einsatz kommt. Für die Anwendung muss das gewünschte Bauteil zunächst im Computer konstruiert und dann in Schichten zerlegt werden. Die Informationen zu den einzelnen Schichten werden anschließend an die Anlage gesendet, die in einem ersten Schritt loses Pulver in der gewünschten Menge aufträgt und entsprechend den Konturen des Bauteils in der jeweiligen Schicht das Pulver mittels eines Elektronenstrahls verschmilzt. Dieser Vorgang wird Schicht für Schicht wiederholt, bis das Bauteil fertig ist. Durch die sukzessive Verschmelzung übereinanderliegender Schichten, die typischerweise zwischen 50 und 100 µm dick sind, können äußerst komplexe Bauteile erzeugt werden. Vorteil dieser Technologie ist, dass sie ohne teure Gießformen oder Umformwerkzeuge auskommt und so gegenüber konventionellen Fertigungsprozessen eine enorme Geometriefreiheit zulässt.
Neben der Verarbeitung von Nickel-basierten Hochtemperaturwerkstoffen und Titan-Aluminid-Legierungen, die vorrangig für die Luft- und Raumfahrt von großem Interesse sind, stehen insbesondere die im SFB 799 bereits umfangreich erforschten Chrom-Mangan-Nickel Stähle im Fokus.
Der SFB 799 bietet die Voraussetzungen, anforderungsgerechte Stahllegierungen im Institut für Eisen- und Stahltechnologie zu entwickeln und auf der vorhandenen Verdüsungsanlage verarbeitungsgerecht, mit der optimalen Partikelgrößenverteilung herzustellen. Mit der Integration in das interdisziplinäre Forschungsprojekt steht die gesamte Prozesskette, von der Pulverherstellung bis zur Prüfung der Eigenschaften der mittels des EBM-Verfahrens hergestellten Bauteile, auf dem Campus der TU Bergakademie Freiberg zur Verfügung.