Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
Ausgabe 03/2018, 16.03.2018

Neue Legierungen aus – dem 3D-Laserprinter

Die Empa ist eine der führenden Institutionen, wenn es um Grundlagenforschung im Bereich der additiven Fertigung geht. Besonders im Fokus steht die Erforschung und Entwicklung von Ausgangsmaterial aus Metall beziehungsweise von komplett neuen Legierungen, die exakt auf die Verarbeitung mittels Laser ausgelegt sind. Sie sollen im fertigen Bauteil bessere physikalische Eigenschaften bewirken als dies mit heute gängigen Materialien der Fall ist.

Neue Designerlegierungen, insbesondere solche aus Titan und Aluminium, vereinen mehrere im Leichtbau für Luft und Raumfahrt begehrte Eigenschaften: Sie sind leicht, sehr fest und zugleich oxidationsresistent, auch bei hohen Temperaturen. Solche Legierungen sollen künftig gezielt im 3D-Laser-Schmelzverfahren hergestellt werden können. Pionierarbeit auf diesem Gebiet leistete der Empa-Forscher Christoph Kenel, der heute an der Northwestern University in Chicago arbeitet.

Ziel der Forschung von Christoph Kenel war es, diese Legierungen mit Nanopartikeln aus Mineraloxiden zu versehen, die gleichmässig im Metall verteilt sind. So lassen sich die mechanischen Eigenschaften und die Oxidationsbeständigkeit der Legierungen im Hochtemperaturbereich deutlich verbessern. Kenel benutzte dazu eine handelsübliche SLM-Anlage.

Im klassischen Gussverfahren nicht herstellbar

Die Aufgabe ist anspruchsvoll, da Titan-Aluminium-Legierungen bei Raumtemperatur spröde sind. Die rasche Abkühlung der Mischung im Laserschmelzprozess kann unerwünschte Phasentransformationen im Metall auslösen und zu Rissen im Material führen. Im klassischen Gussverfahren sind die nun untersuchten oxidverstärkten Legierungen bisher nicht herzustellen. Sobald die Mischung schmilzt, klumpen die Oxidpartikel in der Legierung zusammen oder sie schwimmen als Schlacke auf der Oberfläche.

Christoph Kenel fand bei seiner Forschungsarbeit eine eine Alternative: Mit dem Laser wird die Pulvermischung nur ultrakurz erhitzt, sodass die Oxidpartikel während des Schmelzens und Erstarrens zwischen den Metallanteilen der Legierung gewissermassen stecken bleiben und ihre Position nicht mehr verändern können. Eine homogene, oxidverstärkte Legierung entsteht.

In der im letzten November mit dem Forschungspreis ausgezeichneten Dissertationsarbeit «Development of Oxide Dispersion Strengthened Titanium Aluminides for Additive Manufacturing» zeigt Christoph Kenel diverse computerbasierte Methoden auf (Thermodynamische Simulationen, Finite-Elemente-Berechnung), mit denen sich die Eigenschaften der erzeugten Legierungen aus Titan, Aluminium, Niob und Yttriumoxid voraussagen lassen. In ergänzenden Experimenten gelang es Kenel, mit neuen, von ihm entwickelten Analysemethoden, die Bildung der Legierungen während des Laserprozesses mit hoher zeitlicher Auflösung zu studieren.

Die im Anschluss daran optimierten und im 3D-Verfahren hergestellten oxidverstärkten Legierungen zeichnen sich durch eine höhere Festigkeit bei Temperaturen bis 800 °C sowie eine deutlich verbesserte Oxidationsbeständigkeit im Vergleich mit kommerziellen Titanaluminidlegierungen aus. Die Forschungskommission der Empa verlieh der Dissertation von Christoph Kenel daher einstimmig die Note «preiswürdig, sehr gut».

Betreut wurde die Forschungsarbeit des Preisträgers Christoph Kenel von Christian Leinenbach. Der studiertee Materialwissenschaftler und Maschinenbauer ist an der Empa Leiter der Arbeitsgruppe Alloy Design for Advanced Processing Technologies (ADAPT) im Labor für Advanced Materials Processing. Seit 2016 ist er – unter anderem – auch Mitglied der Expertengruppe «Additive Manufacturing» in der Schweizerischen Akademie für Technische Wissenschaften (SATW). (msc)


Empa, Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology
3602 Thun, Tel. 058 765 62 62
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Diese feinstrukturierten Probekörper aus oxidverstärkter Titanaluminiumlegierung entstanden im Rahmen der Dissertation; deutlich erkennbar ist die unterschiedliche Qualität der Körper. (Bilder: Empa)


Im Pulverbettverfahren additiv hergestellter Druckwürfel aus einer elastischen Metalllegierung.


Christoph Kenel erhält den Preis von Brigitte Buchmann, Direktionsmitglied der Empa.