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Sprödes wird geschmeidig

3D-Drucker jetzt auch für Wolfram

07. April 2021, 12:01 Uhr   |  Heinz Arnold

3D-Drucker jetzt auch für Wolfram
© Markus Breig, KIT

Bauteil aus Wolfram, hergestellt im 3D-Druck über das Verfahren des Elektronenstrahlschmelzens.

Forschern vom KIT ist es erstmals gelungen, Wolfram über das Elektronenstrahlverfahren 3D-Druck-fähig zu machen.

Das ist ein wichtiger Schritt, denn bisher ließ sich Wolfram über konventionelle Fertigungsmethoden nur sehr schwer verarbeiten. Denn einerseits besitzt Wolfram mit 3,422 °C den höchsten Schmelzpunkt aller Metalle und ist damit sehr attraktiv für den Einsatz in heißen Umgebungen, etwa in Düsen für Weltraumraketen, in Hochtemperaturöfen und in Fusionsreaktoren.

Andererseits ist Wolfram bei Zimmertemperatur aber auch sehr spröde. Deshalb ist die Verarbeitung sehr kostspielig und der Herstellungsprozess kostet viel Zeit. Was bisher in auf genommen wurde, eben weil Wolfram so einzigartige Materialeigenschaften aufweist: Nicht nur, dass das Metall erst ab einer Temperatur von 3.422 °C schmilzt, er ist sehr korrosionsbeständig, schwer wie Gold und als Wolframcarbid hart wie Diamant.

Eine Alternative zu den herkömmlichen Verarbeitungsmethoden bietet der 3D-Druck, mit dem Bauteile so hergestellt werden können, dass sie kaum noch nachbearbeitet werden müssen.

»Aktuell arbeiten wir an der additiven Fertigung von Bauteilen aus dem hochschmelzenden Metall Wolfram mit dem Verfahren Electron Beam Melting, kurz EBM, auch Elektronenstrahlschmelzen genannt«, erklärt Dr. Steffen Antusch vom Institut für Angewandte Materialien – Werkstoffkunde (IAM-WK) des KIT. Das Forschungsteam konnte den EBM-Prozess erfolgreich auf Wolfram anpassen.

Die eigens entwickelten Prozessparameter erlauben nun den 3D-Druck von Bauteilen aus Wolfram. »Die Einsatzgebiete dieses Metalls sind beeindruckend vielseitig. Durch seine speziellen Eigenschaften ist es für Hochtemperaturanwendungen in Energie- und Lichttechnik sowie für die Raumfahrt und die Medizintechnik ideal geeignet und damit für die moderne Hightech-Industrie unverzichtbar«, sagt Alexander Klein vom IAM-WK.

Vorwärmen erlaubt Verarbeiten von spröden Werkstoffen

EBM ist ein additives Fertigungsverfahren: Die im Vakuum beschleunigten Elektronen schmelzen Metallpulver selektiv und erzeugen so Schicht für Schicht – also additiv – ein 3D-Bauteil. Der wesentliche Vorteil dieses Verfahrens besteht in der verwendeten Energiequelle, dem Elektronenstrahl. Er ermöglicht das Vorwärmen des Metallpulvers sowie der Trägerplatte vor dem Schmelzen und reduziert damit Verformungen und Eigenspannungen. Dies erlaubt die Verarbeitung von Werkstoffen, die bei Raumtemperatur leicht brechen und bei hohen Temperaturen verformbar sind.

Allerdings müssen die verwendeten Materialien elektrisch leitfähig sein. Für keramische Werkstoffe kommt das Verfahren nicht in Frage, denn der EBM-Prozess basiert auf dem Prinzip der elektrischen Ladung. Das Vorwärmen des Metallpulvers vor dem Schmelzen reduziert Verformungen.

Leichtbauteile aus Titan für KA-RaceIng

Der EBM-Prozess wurde ursprünglich entwickelt, um Titanlegierungen sowie Materialien, die erhöhte Prozesstemperaturen erfordern, zu verarbeiten. Bisher wurden im Technik-Haus des KIT damit Leichtbauteile aus Titan, zum Beispiel für das Formula-Student-Projekt KA-RaceIng des KIT hergestellt.

Das IAM-WK forscht in den Forschungsprogrammen der Helmholtz-Gemeinschaft und des europäischen Fusionsprogrammes EUROfusion an Materialien und Prozessen, um Hochtemperaturwerkstoffe für zukünftige Anwendungen zum Beispiel in der Fusionsenergie oder auch in der Medizintechnik herstellen zu können.

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