Die additive Fertigung lernt Multimaterialbau

Neue 3-D-Druck-Verfahren verarbeiten mehrere Materialien in einem einzigen Bauteil. Mögliche Anwendungen reichen von der Werkzeugtechnik über Bauteile mit sensorischen Eigenschaften bis hin zu Triebwerksteilen.

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Zur ohnehin schon große Designfreiheit der additiven Fertigung kommt allmählich eine weitere Dimension hinzu: die Kombination unterschiedlicher Materialien in einem einzigen Bauteil – Stahl mit Kuper, Kunststoff mit Metall, Kupfer mit Keramik. Dies, ergänzt durch die Möglichkeit einzelne Materialen funktional zu gradieren – beispielsweise also innerhalb eines Materials fließende Übergänge zwischen dichten und porösen Strukturen herzustellen – verleiht der additiven Fertigung einen bislang nicht gekannten Gestaltungsspielraum.

Besonders vielversprechend ist dabei die Kombination von thermisch und elektrisch leitfähigem Kupfer mit mechanisch belastbaren Stahl- oder Aluminiumlegierungen. Möglicher Anwendungen beschreiben Roland Lachmayer, Tobias Ehlers, Rene Bastian Lippert im Kapitel Kreative Methoden (S. 54) des Buchs Entwicklungsmethodik für die Additive Fertigung:

• In Wärmetauschern könnten mithilfe des 3-Drucks Kupferstrukturen mit besonders großer Oberfläche gefertigt werden, wodurch sich die Leistungsdichte des Wärmetauschers erhöhen ließe, während die Kombination mit Stahl dem Wärmetauscher die nötige Steifigkeit verleiht.
• Werkzeuge, wie Matrizen in der Extrusion, könnten durch den Einsatz von Kupfer in oberflächennahen Bereichen prozessintegriert gekühlt werden, während ein Werkzeugstahl als Sekundärwerkstoff für die notwendigen Festigkeiten für den Umformprozess sorgt.
• Direkt in Umformwerkzeugen integrierte Kupferspulen könnten Bauteile mittels Induktion erwärmen.
• Integrierte Spulen lassen sich auch als Sensoren für elektrische oder magnetische Felder nutzen, beispielsweise um Bauteilrisse während des Produktbetriebs zu erkennen.
• Magnetisch-induktive Durchflussmesser lassen sich in Bauteilbereichen integrieren, die mit herkömmlichen Sensoren nicht zu erreichen sind.

Kupfer als Herausforderung für den 3-D-Druck

Verschiedene kommerzielle Systeme für die Multimaterialfertigung von Kunststoffen und Metallen sind bereits am Markt, wie die Autoren schreiben. Dazu gehören Fused Layer Modeling(FLM)-Drucker mit mehreren Düsen oder Drückköpfen, die harte und duktile Materialien in einem Bauteil kombinieren. Auch mit Auftragsschweißsystemen lassen sich unterschiedliche Metalle kombinieren. Dennoch befinden sich viele Überlegungen laut der Autoren noch im Forschungsstadium: "Die benötigten Maschinenkonzepte zumindest für Metalle sind im Wesentlichen noch Versuchsaufbauten."

Im Hinblick auf die Kombination unterschiedlicher Metalle untersuchen Forschende des Jenaer Günter-Köhler-Instituts für Fügetechnik und Werkstoffprüfung (ifw) die additive Fertigung von reinem Kupfer. Insbesondere mit pulverbettbasierten Verfahren lässt sich reines Kupfer bislang nur mit teuren Systemen mit grünem Laser oder mit sehr hohen Laserleistungen bearbeiten, wie Maximilian Streinz, Daniel Scheller und Dennis Melnikow im Artikel Multimaterialbauteile additiv fertigen in der maschinenbau 1/23 schreiben.

Grund ist das hohe Reflexionsvermögen und die hohe Wärmeleitfähigkeit des Kupferpulvers, die das Erreichen hoher lokaler Energiedichten erschweren. Im Rahmen des Projekts AddLas wollen die Forschenden nun eine Parameterkombination entwickeln, mit denen sich auch auf kleinen Laserstrahlschmelzanlagen (PBF-LB) Probendichten von maximal 0,2 % Restporosität erreichen lassen. Für den Laser haben sich Fokusdurchmesser von 80 µm und Scangeschwindigkeiten von 400 mm/s den Autoren zufolge dabei als optimal herausgestellt.

Einteilige Sensoren aus Kunststoff, Keramik und Metall

Einen Endeffektor für die Verarbeitung unterschiedlicher Polymere, Keramiken und Metalle stellen Forschende der Huazhong University of Science and Technology und des Wuhan Institute of Technology im Artikel Multimaterial additive manufacturing for fabricating magnetoelectric pressure sensors vor. Der Endeffektor enthält drei separate Filamentzuführungen mit jeweils angeschlossenem Schneidsystem und ist an einem Roboterarm angeschlossen. Anwendungen für das System sehen die Forschenden in den Bereichen Embedded-Elektronik, Sensorik, Softrobotik und individualisierte medizinische Geräte.

Zu Demonstrationszwecken beschreiben sie die Fertigung eines magnetoelektrischen Kraftsensors aus einer Polymer-Keramik-Metall-Kombination, der auch nach 10.000 Lastzyklen noch funktionsfähig ist.

Keramikteile elektrisch leitfähig machen

Ein Jetting-Verfahren, mit dem sich ein nahezu unbegrenztes Werkstoffportfolio – beispielsweise Oxidkeramiken, Hartmetalle oder Gläser – verarbeiten lässt, beschreiben die Autoren um Steven Weingarten vom Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien IKTS im Artikel Additive Fertigung von keramikbasierten Multimaterialbauteilen mittels CerAM MMJ in der Keramischen Zeitschrift 6/21. Mit der CerAM MMJ-Technologie werden hochgefüllte thermoplastische Bindersysteme tröpfchenweise zu dreidimensionalen Strukturen verschmolzen.

Um elektrisch leitfähige Pfade in ansonsten elektrisch isolierenden Keramiken zu integrieren, setzen die Forschenden unter anderem auf die Materialkombination aus Si₃N₄, MoSi₂ und SiC. Die einzelnen Materialien weisen vergleichbare Schwindungs- und thermische Ausdehnungseigenschaften auf und können somit gut zusammen verarbeitet werden. Im Zwei-Komponenten-Spritzguss kommt die Mischung bereits seit Längerem zum Einsatz und wurde nun auch für die additive Fertigung qualifiziert. Als Demonstrator haben die Forschenden eine keramische Zündquelle gefertigt, wie sie beispielsweise in Triebwerken für Satelliten zum Einsatz kommen könnte.