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15.09.2021 | Funktionswerkstoffe | Im Fokus | Onlineartikel

Gradierte Materialien – mit additiver Fertigung zum Durchbruch

Autor:
Thomas Siebel
4:30 Min. Lesedauer

Gradierte Materialien vereinen scheinbar widersprüchliche Eigenschaften – und sie sind teuer und schwer reproduzierbar. Mit der additiven Fertigung könnte jedoch der industrielle Durchbruch gelingen.

Wo außergewöhnlichen mechanische, thermischen und chemischen Beanspruchungen zusammenkommen, braucht es besondere Werkstoffe. Zum Beispiel funktional gradierte Materialien, mit deren Hilfe sich auch scheinbar inkompatible Eigenschaften wie hohe Härte und hohe Festigkeit miteinander vereinen lassen. In gradierten Materialen gehen Bereiche mit unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften fließend ineinander über. Chemische, mechanische, magnetische, thermische oder elektrische Eigenschaften verändern sich dabei innerhalb des Materials entlang mindestens einer Raumrichtung.

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01.08.2021 | Titelthema | Ausgabe 4/2021

Fertigung funktional gradierter Bauteile im High Speed Sintering

Das additive Fertigungsverfahren High Speed Sintering besitzt das Potenzial, durch eine gezielte Steuerung des Fertigungsprozesses Bauteileigenschaften lokal einzustellen. Die dadurch realisierbare funktionelle Graduierung erlaubt es, die innere Struktur von Bauteilen unabhängig von der äußeren Beschaffenheit anforderungsspezifisch anzupassen.

Beste Beispiele für gradierten Materialien bietet die Natur. Zähne bestehen aus einer verschleißresistenten äußeren Schicht, die einen duktilen, dämpfenden Kern umgibt. Andere Beispiele sind Holz, Bambus oder Knochen. In der Industrie dauerte es bis in die frühen 1980er-Jahre, bis in einem japanischen Raumfahrtprojekt die Idee gedieh, derartige Materialien auch für technische Zwecke nutzen. Für die Außenhaut eines Raumfahrzeugs suchten Ingenieure ein Material, das an seiner Außenseite Temperaturen von mehr als 1700 °C widerstehen und zugleich Temperaturgradienten von bis zu 1000 °C aushalten sollte – und das bei einer Materialdicke von maximal 10 mm, wie Rasheedat Mahamood und Esther Akinlabi in der Einführung zum Buch Functionally Graded Materials schreiben.

Scharfe Materialübergänge vermeiden

Herkömmliche Verbundwerkstoffe fielen für den Einsatz aus. Mit den scharfen Übergang zwischen den einzelnen Materialschichten und den hohen thermischen Ausdehnungen in einzelnen Materialschichten versagten die Fügeflächen; die Verbundwerkstoffe delaminierten. Um Spannungsspitzen zu vermeiden, suchten die Ingenieure in der Folge nach Lösungen, den Übergang zwischen den Werkstoffen fließend zu gestalten.

Ein seither häufig insbesondere in der Luft- und Raumfahrt eingesetztes gradiertes Material besteht aus hitzbeständigen und verschleißfesten Keramiken und aus Metall, das im Gegensatz zu Keramik zäh und mechanisch verarbeitbar ist, wie Tobias Ehlers, Rene Bastian Lippert und Roland Lachmayer in einem Artikel für das Buch Konstruktion für die Additive Fertigung 2018 erläutern. Durch die gradierte Übergangszone zwischen den beiden Materialien können den Autoren zufolge mechanische und thermische Spannungen abgebaut und die Vorteile beider Materialien kombiniert werden.

Anwendungen in Raumfahrt oder Automobilbau

Die Einsatzgebiete gradierter Werkstoffe erstrecken sich von Raketentriebwerke oder Hitzeschutzschilden in der Raumfahrt und Verbrennungskammern oder Blattfedern im Automobilbau, über Kernreaktorwände oder thermoelektrische Wandler in der Energietechnik bis hin zum Bau von Zahn- oder Knochenimplantaten in der Biomedizin. Dabei unterteilen sich gradierte Materialien in die drei im Kapitel Types of Functionally Graded Materials and Their Areas of Application beschriebenen Typen:

  • Chemisch gradierte Materialien: Die chemische Zusammensetzung eines Materials ändert sich ortsabhängig. Typischerweise handelt es sich dabei um den fließenden Übergang von einem Material zu einem anderen.
  • Porös gradierte Materialien: Die Porösität eines Materials ändert sich ortsabhängig, wobei Form und Größe der Poren anforderungsgerecht ausgelegt werden.
  • Mikrostrukturell gradierte Materialien: Unterschiedliche Mikrostrukturen, etwa an Bauteilaußenseite und Innenbereich, lassen sich beispielsweise durch kontrollierte Wärmebehandlungen metallischer Bauteile erreichen.

Additive Fertigung erweitern die Möglichkeiten

Klassische Herstellverfahren sind bislang die physikalische oder chemische Gasphasenabscheidung oder Ansätze der Pulvermetallurgie, wie sich im Kapitel Processing Methods of Functionally Graded Materials nachlesen lässt. Allerdings sind konventionelle Fertigungsverfahren limitiert und werden zumeist nur im Bereich von Bauteiloberflächen eingesetzt. Völlig neue Möglichkeiten für das Gradieren von Vollmaterial, aber auch hinsichtlich Entwicklungsdauer, Kosten und Eignung zur Massenproduktion liefern dagegen additive Fertigungsverfahren.

Im Kapitel Bewertung von Strukturbauteilen aus gradierten Materialien für Selektives Laserstrahlschmelzen erläutern Tobias Ehlers, Rene Bastian Lippert und Roland Lachmayer das Vorgehen am Beispiel eines Schaftfräsers. Dabei stellen sie auch ein Verfahren für die Auswahl von Materialkombinationen vor, die den Anforderungen eines spezifischen Bauteils bestmöglich gerecht werden. Die hohen Anforderungen an die thermische Beständigkeit, Steifigkeit, Härte, Duktilität und Dämpfung des Schaftfräsers erfüllt schließlich die Kombination einer Nickellegierung mit einem Maraging-Stahl.

Mit High-Speed Sintering zum optimalen Dämpfer

Einen neuen Ansatz aus dem kunststoffbasierten 3D-Druck präsentieren Jan Kemnitzer, Anna Tarasova und Daniel Petzold im Beitrag Fertigung funktional gradierter Bauteile im High Speed Sintering für die Zeitschrift maschinenbau 4/21. Dafür machen sich die Forschenden vom Fraunhofer IPA und der Universität Bayreuth eine besondere Eigenschaft des pulverbettbasierten Verfahrens High-Speed Sintering (HSS) zu Nutze. Im HSS wird ein Kunststoffpulver schichtweise auf eine Bauplattform aufgetragen. Auf jeder Schicht bringt ein Druckkopf eine Tinte an den Stellen auf, die anschließend mithilfe eines Infrarotstrahlers verschmolzen werden sollen. Der selektive Energieeintrag in das Pulver hängt dabei von der Menge der aufgebrachten Tinte ab, die wiederum mittels Graustufendruck und Dithering  für jede Schicht einzeln eingestellt werden kann. So lässt sich das Aufschmelz- und Erstarrungsverhalten steuern und spätere Bauteileigenschaften bereits auf mikroskopischer Ebene einstellen.

Am Beispiel eines Polyamid 12-Materials konnten die Forschenden mit diesem Ansatz den Elastizitätsmodul innerhalb eines Bauteils um 400 % variieren. Die Dichte ließ sich um 80 % und die Härte um 50 % ändern. Als mögliche Anwendungen nennen die Autoren Dämpfungselemente oder andere Bauteile, die optimal auf ihre Anforderungen und Funktionalität ausgelegt sind.

Herausforderung industrielle Fertigung

Die Autoren heben dabei die hohe Reproduzierbarkeit sowie die Produktivität und die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens hervor. Diese drei Aspekte werden auch im Kapitel Future Research Direction in Functionally Graded Materials and Summary als wichtigste Forschungsziele genannt. Bislang sei die Fertigung von gradierten Materialien nämlich vergleichsweise teuer und die Materialeigenschaften ließen sich oftmals nicht zuverlässig einstellen. Nötig seien deswegen bessere Materialmodelle und umfassenderes Prozesswissen, um schließlich produktivere Fertigungsverfahren auch im industriellen Maßstab aufziehen zu können.

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