Neue Materialien dank 3D-Metalldruck

Die Fabrikation von Metallteilen mit 3D-Druckern macht derzeit riesige Sprünge. Hochkomplexe Formen können damit günstiger und mit weniger Abfall produziert werden als je zuvor.

Netzgitterball aus Titan

Eine Metallstruktur aus dem 3D-Drucker: Nahaufnahme eines Netzgitterballs aus Titan. Bild: ESA

Die Zeiten sind vorbei, als 3D-Drucker lediglich Spielzeuge für kreative Bastler oder die Lieblinge von Entwicklern zur Herstellung von ersten Produktprototypen waren. Heute werden fixfertige Produkte in Kleinserien gleich mit dem Drucker produziert, zum Beispiel komplexe Maschinenteile oder medizinische Implantate. Dafür gibt es heute schon 3D-Drucker so gross wie Kleiderschränke, die nicht mehr mit Kunststoffen, sondern mit Metallen drucken. Die Technologie fürs Metalldrucken sei nicht komplett neu, erklärt Andreas Mortensen, Professor am Labor für mechanische Metallurgie der ETH Lausanne (EPFL). An der EPFL seien schon vor vielen Jahren erste Teile aus Metalllegierungen gedruckt worden. «Doch seither fand nochmals eine rasante technologische Entwicklung statt», sagt Mortensen. «Heute können 3D-Drucker zur Herstellung von Metallteilen viel breiter eingesetzt werden.»

Je höher der Schmelzpunkt, desto komplexer

Die gängigsten Verfahren für den 3D-Metalldruck sind das Lasersintern und das Laserschmelzen. In einer dünnen Pulverschicht werden mit dem Laserstrahl nur genau diejenigen Metallteile geschmolzen oder gesintert, die am Ende die Form des gewünschten Objekts ergeben. Dieser Vorgang wird mit weiteren Pulverschichten solange wiederholt, bis das gewünscht Objekt vollständig aufgebaut ist. Das überschüssige Metallplver wird am Ende entfernt.

Mit diesem Verfahren können praktisch alle Metallarten gedruckt werden. Doch je höher der Sinter- oder Schmelzpunkt eines Metalls liegt, desto mehr Energie muss für den Druck eingesetzt werden und desto komplexer wird das Verfahren. «Grosse Herausforderungen beim metallurgischen 3D-Druck sind bis heute die Qualität der Metallteile und die Beschaffenheit der Oberflächen», sagt Mortensen. Die Oberflächen zum Beispiel sind durch das Schichten von Hunderten von Pulverebenen immer leicht rau. Doch auch die Materialien selbst bereiten manchmal Probleme: Magnesiumpulver kann unter Hitze explodieren. Und Aluminiumoxid, das sich an der Oberfläche von feinen Aluminiumspänen bildet, hindert das Material daran zu sintern oder zu schmelzen. Das Ergebnis sind mangelhafte Aluteile.

Neue Strukturen und Multimaterialien

Trotzdem ist schon heute vieles möglich; zum Beispiel die Produktion von fixfertigen Knie-Implantaten. Und die müssen einiges aushalten: Wir beugen unser Knie jeden Tag bis zu 1500 Mal und beim Treppensteigen lastet bis das Fünffache unseres Körpergewichts darauf. Der grosse Vorteil solcher gedruckten Implantate: Sie sind auf den Körper des Patienten massgeschneidert. Jeder Druck ist eine Einzelanfertigung. Das wäre mit herkömmlichen Herstellungsverfahren viel zu teuer.

Ein weiterer Vorteil betrifft die Freiheit bei der Formgestaltung: «Wir können heute Metallsstrukturen in relativ kurzer Zeit drucken, die mit herkömmlichen Methoden, wie dem Giessen, sehr aufwändig herzustellen wären», sagt Mortensen: zum Beispiel hochporöses Titan, das wie ein Schwamm aussieht und als Knochentransplantat
eingesetzt wird. Die Struktur erlaubt, dass Knochengewebe in den künstlichen Knochen hineinwächst. Das führt zu schnellerer Genesung.

Darüber hinaus können im 3D-Druck durch den Einsatz von unterschiedlichen Metallpulvern auch sogenannte Multimaterialien produziert werden; also beispielsweise Gegenstände, die sowohl aus Aluminium als auch Titan
bestehen. Die additive Fertigung ist aber auch wirtschaftlich und ökologisch sinnvoll. Abfälle, wie sie beim Fräsen oder Schleifen aus einem Metallblock entstehen, fallen beim 3D-Druck weg. Diese können das Endgewicht des Produkts leicht um das Zehnfache übertreffen. Das ist für Unternehmen vor allem bei exklusiven und teuren Metallen wie Titan, Tantal und Vanadium entscheidend.

Bild: ESA-N. Vicente

Mit dem 3D-Drucker in den Weltraum

Das Projekt «AMAZE» will den 3D-Druck von Metallen nun noch einen Schritt weiter bringen, im besten Fall gleich bis ins All. Denn laut der europäischen Raumfahrtagentur (ESA) sollen Astronauten im Weltall künftig mit 3D-Druckern ihre Ersatzteile und Werkzeuge selbst drucken. Dadurch müssten sie nicht mehr platzraubende und kostspielige Ersatzteile von der Erde mitführen. Auch sonst sind die Ziele des «AMAZE»-Projekts nicht bescheiden: Der europäische Zusammenschluss von 28 Firmen und Hochschulen will dank 3D-Druckern die besten Metallteile aller Zeiten herstellen. Diese sollen unter anderem in der Raumfahrt, in Flugzeugen und in Fusionsreaktoren eingesetzt werden. Dabei werden nicht nur Kleinteile gedruckt, sondern laut den «AMAZE»-Forschern auch Bestandteile von Flugzeugflügeln von bis zu zwei Metern Länge – und dereinst sogar ganze Satelliten. Das Labor für mechanische Metallurgie der ETH Lausanne ist eine Partnerinstitution von «AMAZE». Es testet derzeit die Eigenschaften der gedruckten Metalle.

Text: SATW / Samuel Schläfli
Quelle: Technoscope 3/14: 3D-Druck und Co. Technoscope ist das Technikmagazin der SATW für Jugendliche

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