3D-Druck macht spröde Keramik industriefähig

Ein neues Festkörper-3D-Druckverfahren verbindet Metall mit funktionaler Keramik. Das Ergebnis sind belastbare Verbundwerkstoffe mit Dämpfungsfunktion. 

Forschende um den Werkstoffwissenschaftler Hang Yu von der Viginia Tech haben ein Fertigungsverfahren vorgestellt, mit dem sich funktionale Keramiken in großvolumigen, tragfähigen Bauteilen einsetzen lassen. Kern des Ansatzes ist laut Veröffentlichung in der Fachzeitschrift Materials Science and Engineering R: Reports die additive Reibrührabscheidung (Additive Friction Stir Deposition, AFSD).  Dabei werden keramische Formgedächtnis-Partikel in eine Metallmatrix eingebettet. 

Nach Angaben von Yu entstehen so dichte, fehlerfreie Bauteile bereits im As-Printed-Zustand. Die Keramikpartikel seien gleichmäßig im Metall verteilt und könnten sich unter Zug-, Biege- oder Druckbelastung umwandeln, ohne dass das Bauteil versage. Der Verbundwerkstoff sei dadurch multifunktional und könne mechanische Lasten tragen und gleichzeitig Energie durch spannungsinduzierte Phasenumwandlungen absorbieren. 

Denkbare Anwendungen sieht Yu unter anderem in der Schwingungs- und Stoßdämpfung, etwa in Strukturbauteilen für die Luft- und Raumfahrt, im Infrastrukturbau oder in sicherheitsrelevanten Systemen. Auch für Sportgeräte seien Einsätze vorstellbar, bei denen Vibrationen reduziert werden sollen, ohne das Gewicht zu erhöhen.

Skalierung zuvor problematisch

Formgedächtnis-Keramiken können unter mechanischer Belastung ihre innere Struktur verändern und dabei Energie aufnehmen. Bislang ließ sich dieser Effekt laut Yu jedoch nur in mikroskopisch kleinen Proben nutzen. Beim Versuch der Skalierung versagten die Materialien meist durch Rissbildung.

Der nun vorgestellte Verbundwerkstoff kombiniert eine metallische Grundstruktur mit fein verteilten keramischen Partikeln, die ihre Funktion beibehalten, ohne das Bauteil zu schwächen.