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3D-Druck von Metallen Wie man magnetische Muster in Stahl druckt

| Autor / Redakteur: Rainer Klose* / Christian Lüttmann

3D-Druck gibt es auch für Metalle. Dabei erhitzt ein Laser die Legierung innerhalb von Millisekunden auf mehr als 2500 °C. Empa-Forscher haben nun eine Methode vorgestellt, mit der sich mikrometergenaue Strukturen mit unterschiedlicher Funktionalität drucken lassen – etwa ein Schachbrettmuster aus magnetischen und nicht-magnetischen Feldern. Die Technik könnte bessere Elektromotoren und neue Formgedächtnislegierungen ermöglichen.

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Eisenspäne haften auf diesem Mini-Schachbrett mit vier Millimetern Kantenlänge. Die teils magnetische Struktur wurde aus einer einzigen Sorte Stahlpulver bei verschiedenen Temperaturen produziert.
Eisenspäne haften auf diesem Mini-Schachbrett mit vier Millimetern Kantenlänge. Die teils magnetische Struktur wurde aus einer einzigen Sorte Stahlpulver bei verschiedenen Temperaturen produziert.
(Bild: Empa)

Dübendorf/Schweiz – Auf den ersten Blick sieht das nur vier Millimeter breite Quadrat aus wie ein ganz normales Stück Stahl. Doch bei genauerem Hinsehen fallen minimale Farbunterschiede auf: 16 Flächen lassen das Quadrat wie ein winziges Schachbrett wirken. Das besondere dieser zunächst unscheinbar wirkenden Materialprobe eines Empa-Teams um Ariyan Arabi-Hashemi und Christian Leinenbach: Sie wurde in einem 3D-Druckverfahren mithilfe von Laserstrahlen und Metallpulver erzeugt. Ihr eigentliches Geheimnis wird aber erst ersichtlich, wenn man Eisenspäne auf sie streut. Denn nur eine Sorte der Schachbrettfelder sind magnetisch, die übrigen acht unmagnetisch – und das obwohl das gesamte Werkstück aus einer einzigen Sorte Metallpulver 3D-gedruckt wurde. Nur Stärke und Dauer des eingestrahlten Laserlichts haben die Empa-Forscher in ihrer Methode variiert.

Gezielte Stahlschmelze per Laserstrahl

Aufnahme des P2000-Stahlpulvers im Elektronenmikroskop. Durch die spezielle Kugelform fließt das Pulver besonders gut.
Aufnahme des P2000-Stahlpulvers im Elektronenmikroskop. Durch die spezielle Kugelform fließt das Pulver besonders gut.
(Bild: Empa)

Als Basis für diese neue Materialverarbeitung nutzte das Team um Arabi-Hashemi und Leinenbach eine besondere Sorte Edelstahl: So genannten P2000-Stahl. Er enthält kein Nickel, sondern rund ein Prozent Stickstoff, verursacht daher keine Allergien und ist für medizinische Zwecke gut geeignet. P2000-Stahl ist besonders hart, was die herkömmliche Bearbeitung mittels Fräsen erschwert. Als Basismaterial für den 3D-Laserdruck scheint er eigentlich ungeeignet zu sein, da in der heißen Schmelzzone des Laserstrahls normalerweise ein großer Teil des enthaltenen Stickstoffs verdampft und der Stahl somit seine Eigenschaften verändert.

Arabi-Hashemi und Leinenbach gelang es aber, diesen Nachteil in einen Vorteil zu verwandeln. Sie modifizierten die Scangeschwindigkeit des Lasers und die Intensität des Laserlichts, das im Metall- Pulverbett die einzelnen Partikel aufschmilzt, und variierten somit gezielt die Größe und Lebensdauer des flüssigen Schmelzpools. Damit konnten sie kontrollieren, wie viel Stickstoff beim Schmelzprozess verdampft.

Wie aus einem Material zwei Kristallstrukturen werden

Der große Schmelzpool (350 Mikrometer breit und 200 Mikrometer tief) lässt viel Stickstoff aus der Legierung verdampfen, sodass der erstarrende Stahl mit einem hohen Anteil an magnetisierbarem Ferrit kristallisiert. Beim kleinsten Schmelzpool (200 Mikrometer breit und 50 Mikrometer tief) erstarrt die Schmelze deutlich schneller, wobei der Stickstoff in der Legierung verbleibt und der Stahl vor allem in Form von nichtmagnetischem Austenit kristallisiert.

Mit diesen zwei Kristallstrukturen druckten die Forscher schließlich das winzige Schachbrett-Muster. Per Röntgenbeugung (XRD), Elektronenmikroskopie (STEM) und Röntgenspektroskopie (EDX) wiesen sie die feine Strukturierung des Mini-Schachbretts nach und bestimmten die lokale Magnetisierung auf wenige Mikrometer genau.

Formgedächtnislegierungen und bessere Elektromotoren

Der Versuch, der wie eine Spielerei wirkt, könnte die Methodik der Metallherstellung und -verarbeitung um ein entscheidendes Werkzeug erweitern. „Beim 3D-Druck erreichen wir lokal spielend Temperaturen von mehr als 2500 °C“, sagt Leinenbach. „Damit können wir gezielt verschiedene Bestandteile einer Legierung verdampfen – z. B. Mangan, Aluminium, Zink, Kohlenstoff und mehr – und so die chemische Zusammensetzung lokal verändern.“ Die Methode ist dabei nicht auf Edelstähle beschränkt, sondern kann auch für viele andere Legierungen nützlich sein.

Leinenbach denkt zum Beispiel an Nickel-Titan-Legierungen, die als Formgedächtnislegierungen bekannt sind. Bei welcher Temperatur sich die Legierung an ihre vorgegebene Form „erinnert“, hängt von gerade einmal 0,1 Prozent mehr oder weniger Nickel in der Mischung ab. Mithilfe eines 3D-Laserdruckers ließen sich Bauteile schaffen, die örtlich gestaffelt auf unterschiedliche Temperaturen reagieren.

Die Möglichkeit, Legierungen mikrometergenau in einem Bauteil zu erzeugen, könnte auch für neue, effizientere Elektromotoren hilfreich sein: Erstmals bietet sich so die Möglichkeit, Stator und Rotor des E-Motors aus magnetisch feinstrukturierten Materialien zu bauen, um die Geometrie der Magnetfelder besser auszunutzen.

Originalpublikation: A Arabi-Hashemi, X Maeder, R Figi, C Schreiner, S Griffiths, C Leinenbach: 3D magnetic patterning in additive manufacturing via site-specific in-situ alloy modification, Applied Materials Today, Volume 18, March 2020, 100512; DOI:10.1016/j.apmt.2019.100512

* R. Klose, Empa Eidgenössische Material- Prüfungs- und Forschungsanstalt, 8600 Dübendorf/Schweiz

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