Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
Additive Fertigung: Ausgabe 07/2019, 05.07.2019

Diamant-Material für den 3D-Druck

Sandvik Additive Manufacturing hat den ersten für additive Fertigungsverfahren geeigneten Diamantverbundwerkstoff entwickelt und Ende Mai auf Nordamerikas führender AM-Messe, der Rapid + TCT in Detroit, vorgestellt. Das superharte Material soll sich für eine Vielzahl von industriellen Anwendungen eignen.

Diamant ist eine Schlüsselkomponente in einer Vielzahl von verschleissfesten Werkzeugen in der Industrie, vom Bergbau und Bohren über die spanende Bearbeitung bis hin zu medizinischen Implantaten. Seit 1953 ist es möglich, synthetischen Diamant herzustellen. Für den Erfolg sind jedoch normalerweise hohe Drücke und Temperaturen erforderlich, was sehr teuer ist. Erschwerend kommt hinzu, dass Diamantmaterial wegen seiner Härte nur schwer und kompliziert zu bearbeiten ist. Deshalb konnten bisher nur wenige einfache Geometrien gebildet werden, komplexe Formen zu erstellen war praktisch unmöglich. Durch den Einsatz von additiver Fertigung und ein eigenentwickeltes Nachbearbeitungsverfahren ist es nun der Sandvik-Tochter Sandvik Additive Manufacturing gelungen, diese Herausforderungen zu umgehen und Bauteile aus Diamant-Verbundwerkstoffen ohne Hochdruckstufen und in komplexen Formen herzustellen.

Der Unterschied zwischen dem Diamantmaterial von Sandvik und natürlichem oder synthetischem Diamant besteht darin, dass das Produkt von Sandvik ein Verbundwerkstoff ist. Ein Grossteil des Materials besteht laut Herstellerangaben durchaus aus Diamantpulver, aber um das Material druckfähig und trotzdem dicht zu machen, müssen die Diamantpartikel von einem Matrixmaterial umschlossen werden, das im additiven Prozess die Verbindung zwischen diesen Partikeln herstellt und seineseits sehr hart ist. Dabei bleiben gemäss den Aussagen des Herstellers die wichtigsten physikalischen Eigenschaften von reinem Diamant erhalten. So sollen Diamantbauteile jetzt anwendungsfertig in sehr komplexen Formen hergestellt werden können, ohne dass eine nachträgliche weitere mechanische Bearbeitung der Bauteiloberfläche erforderlich ist. Dies eröffnet die Möglichkeit, es in Anwendungen einzusetzen, die bisher als unmöglich galten.

Anders Ohlsson, Delivery Manager bei Sandvik Additive Manufacturing, erklärt: «Als wir das Potenzial erkannten, stellten wir uns die Frage, welche zusätzlichen Möglichkeiten sich mit solchen im 3D-Druckverfahren aufgebauten komplexen Formen ergeben würden mit diesem Material, das eine dreimal so hohe Festigkeit hat wie Stahl, eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Kupfer bietet und eine Wärmeausdehnung nahe Invar aufweist – das alles bei einer ähnlichen Dichte wie Aluminium. Diese Vorteile lassen uns glauben, dass wir diesen Diamantverbundwerkstoff in wenigen Jahren in neuen Industrieanwendungen sehen werden, die von Verschleissteilen bis zu Weltraumprogrammen reichen.»

Laut Mikael Schuisky, Leiter F & E und Operations bei Sandvik Additive Manufacturing, ist der Prozess ein klassisches Stereolithographieverfahren. Dabei wird in einer Aufschlämmung aus Diamantpulver und Polymer, die das Harzbad in der klassischen Stereolithographie ersetzt, gedruckt, indem die zu verdichtenden Partien einer jeden Schicht durch eine UV-Lichtquelle abgescannt und dadurch verfestigt werden.

Allerdings ist laut Mikael Schuisky der Schritt nach dem Druckprozess, durch den die Materialeigenschaften  des Bauteils definiert werden, der anspruchsvollere. Dazu hat Sandvik ein massgeschneidertes, firmeneigenes Nachbearbeitungsverfahren entwickelt, mit dem sich genau diese erwünschten Eigenschaften des superharten Diamantverbundes erzielen lassen.

Auch an die optimale Ausnutzung des vermutlich nicht gerade billigen Materials hat man gedacht: Das überflüssige, nicht verarbeitete Diamantpulver kann nach dem Druckprozess aus dem Polymer in der Aufschlämmung extrahiert, anschliessend aufbereitet und in einem nächsten Druckauftrag wiederverwendet werden. Sandvik hat ein Patent für das Diamantverbundverfahren angemeldet.

sandvik.coromant.com



Diamant ist das härteste Material in der Natur und deshalb nur sehr schwer zu bearbeiten. (Bilder: Sandvik)


Das von Sandvik Additive Manufacturing für den Messeauftritt auf der Rapid + TCT hergestellte Demo-Bauteil aus dem eigenentwickelten Diamant-Verbundwerkstoff.