Unmögliche Stoffe werden wahr
Vielerorten wird versucht, bestehende Metallpulver optimal zu verarbeiten, also 
die Druckmaschine an das Pulver anzupassen. Die Empa geht einen Schritt weiter: 
Hier suchen Forscher nach neuen, besser für 3-D-Druck passenden Legierungen. 
Und sie versuchen, neuartige Composite-Materialien zu schaffen, die es ohne 
3-D-Druck gar nicht geben kann.

Text: Rainer Klose / Bilder: Empa
D
ie letzte Novemberwoche 2015 war für Christian Leinenbach und Christoph Kenel ein lang ersehnter Moment: Die 3-D-Druckmaschine vom Typ M2 cusing steht fertig aufgebaut im neuen Laboratorium auf dem Empa-Campus und ist angeschlossen. Ab 2016 sind eigene Versuche mit Metalllegierungen, Lasergeschwindigkeiten und Linienabständen möglich. Die Maschine des deutschen Herstellers Concept Laser kann mit Hilfe eines Faserlasers komplexe 3-D-Bauteile aus Metall erzeugen, die bis zu 25 cm in jeder Dimension messen. «Die meisten unserer Prüfkörper sind jedoch deutlich kleiner», sagt Christian Leinenbach. «Wir wollen einerseits neue, an den Fertigungsprozess angepasste Werkstoffe entwickeln und andererseits erforschen, wie man mit Hilfe von Additive Manufacturing völlig neue Materialien erschaffen kann.»

Suche abseits der ausgetretenen Pfade
Die Forschung an 3-D-Druck mit Metall boomt; ständig finden rund um den Globus Konferenzen zu dem Thema statt. Leinenbach verfolgt die Veröffentlichungen in der Szene und hat eine gewisse Schieflage entdeckt: Von über 200 Beiträgen, die an verschiedenen internationalen Konferenzen in den letzten beiden Jahren vorgestellt wurden, beschäftigen sich erstaunliche 75 Prozent mit nur drei Materialklassen: der berühmten Titanlegierung Ti-6Al-4V, kommerziellen Nickel-Chrom-Legierungen und rostfreiem Stahl. «Mir ist ganz klar, warum so viel auf genau diesen Legierungen geforscht wird», sagt Leinenbach. «Sie sind von hohem kommerziellem Interesse für Luft- und Raumfahrt, für die Rüstungsindustrie und im Offshore-Bereich. Viele für die Schweizer Industrie interessante Werkstoffe wie Werkzeugstähle oder Edelmetalle wurden bislang kaum oder gar nicht untersucht.» Auf der Strecke bleibt auch oft das grundlegende Verständnis für die Wechselwirkung von Material und Laser. «Mit einem komplexen System aus drei und mehr Metallen und etlichen Phasen kann ich nur sehr schwer funktionstüchtige Komponenten in einem Versuch-und-Irrtum-Verfahren entwickeln. Dafür gibt es zu viele Variablen», kritisiert der Metall-Spezialist.
Grundlagenforschung mit Titanaluminiden
Leinenbach hat sich mit seinem Doktoranden Christoph Kenel im Rahmen eines EU-Projekts daher Legierungen aus Titan und Aluminium vorgenommen, die aufgrund ihrer geringen Dichte für Teile etwa in Flugzeugtriebwerken interessant, allerdings sehr schwer zu verarbeiten sind. Allein diese beiden Metalle bilden bei verschiedenen Mischungsverhältnissen und Temperaturen mehr als ein Dutzend verschiedener Phasen aus, von denen nur eine Mischung aus zwei Phasen für die technische Nutzung geeignet ist. Dieses Phasensystem ist schon lange sorgfältig erforscht – und genau auf diesem bekannten Terrain lohnt es sich, mit Hilfe von AM neue Methoden der Verarbeitung zu ergründen. 
Lange bevor die Laseranlage an der Empa installiert wurde, begannen die Forscher bereits mit ihren Grundlagenexperimenten. Ein Experiment betraf den Einfluss der Abkühlrate der Schmelze auf die Phasenbildung. Während klassische Verfahren wie Giessen mit Raten von maximal mehreren 10 Grad pro Sekunde gut verstanden sind, sind die Zustände beim Laserschmelzen bisher weitgehend unerforscht. Im sehr kleinen Schmelzpool, den der Laser erzeugt, sind Abkühlraten von über 10000 Grad pro Sekunde möglich, wodurch auf einmal Phasen bei Raumtemperatur stabil werden, die es dort üblicherweise nicht gibt. 
Leinenbach und Kenel untersuchten Titanaluminide mit einer speziellen Versuchsanordnung in verschiedenen Zusammensetzungen bei Abkühlraten bis zu 15000 Grad pro Sekunde. Die Ergebnisse verglichen sie mit Simulationsrechnungen. Damit wurde ein bisher unbekanntes Gebiet der Metallurgie gewissermassen kartografiert. Mit diesen Erkenntnissen konnten die Empa-Forscher eine neue Legierung identifizieren, die sich deutlich besser für die Verarbeitung im 3-D-Laserdrucker eignet als die derzeit verfügbaren Titanaluminid-Werkstoffe. 

Traummaterialien für Schleifmaschinen
Ein erstes greifbares Ergebnis der hohen Abkühlraten im 3-D-Drucker könnten neuartige Verbundwerkstoffe aus Metall und Diamant sein. Gesinterte Diamantwerkzeuge mit einfachen Geometrien werden bereits heute zum Schleifen von Keramikbauteilen verwendet. Die Herstellung von Metall-Diamant-Verbunden auf schmelzmetallurgischem Weg ist jedoch sehr schwierig. Bringt man Diamanten mit flüssigen Metallen in Kontakt, so lösen sie sich meistens auf, oder sie schwimmen aufgrund ihrer geringen Dichte an die Oberfläche. Diamanten bestehen zudem aus reinem Kohlenstoff und verbrennen bei Temperaturen oberhalb 400 Grad an der Luft. Zusammen mit Partnern von der ETH und Inspire gelang Leinenbach und Kenel im 3-D-Drucker die Herstellung von Metall-Diamant-Kompositen: Dafür mischten sie kleine Industriediamanten mit einem Pulver aus einer Kupfer-Zinn-Titan-Legierung. Nach dem Prozess blieben die Diamanten intakt und sind zudem mit einer dünnen Titancarbid-Schicht überzogen, die sie chemisch in der Metallmatrix verankert. Auf diesem Weg sollen in Zukunft Werkzeuge mit komplexerer Geometrie hergestellt werden, wie es sie heute noch nicht gibt. 
Doch auch hier gilt: Die bisher bekannten Legierungen sind für eine Verarbeitung im 3-D-Drucker noch längst nicht optimal geeignet. Weitere Entwicklungen werden folgen. Die frisch aufgestellte 
3-D-Druckanlage auf dem Empa-Campus wird also bald viel zu tun bekommen. //

Probekörper aus Titanaluminid 
mit eingebetteten Keramikpartikeln. Diese Legierung ist aufgrund ihrer geringen Dichte etwa für Flugzeugtriebwerke interessant, jedoch schwer zu verarbeiten. Die Probe-körper zeigen, mit welchen Para-
metern der 3-D-Druck am besten funktioniert.