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Dienstag, 02 März 2021 10:00

Frisch gedruckte Magnete

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Geschätzte Lesezeit: 1 - 2 Minuten

Bei der Metallverarbeitung im 3D-Laserdrucker werden innerhalb von Millisekunden Temperaturen von mehr als 2500 Grad Celsius erreicht, bei denen manche Bestandteile aus den Legierungen verdampfen. Empa-Forscher erkannten in diesem Problem eine Chance und nutzen nun den Effekt, um während des Druckprozesses neue Legierungen mit unterschiedlichen Eigenschaften zu erzeugen und diese mikrometergenau in 3D-gedruckte metallische Werkstücke einzubetten.

So können z.B. magnetische Bereiche in unmagnetischen Oberflächen erzeugt werden und das, obwohl das gesamte Werkstück aus einer einzigen Sorte Metallpulver 3D-gedruckt worden ist. Nur Stärke und Dauer des eingestrahlten Laserlichts wurden variiert.

Als Ausgangsbasis nutzte das Empa-Team eine besondere Sorte Edelstahl, der sogenannte P2000-Stahl enthält kein Nickel, sondern rund ein Prozent Stickstoff. Er ist besonders hart, was die herkömmliche Bearbeitung mittels Fräsen erschwert. Leider scheint er auch als Basismaterial für den 3D-Laserdruck auf den ersten Blick ungeeignet zu sein, denn in der Schmelzzone des Laserstrahls wird es schnell sehr heiß. Deshalb verdampft normalerweise ein großer Teil des enthaltenen Stickstoffs, und der P2000-Stahl verändert seine Eigenschaften.

Den Forschenden gelang es nun, 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 Schmelzpools. Ein großer Schmelzpool lässt viel Stickstoff aus der Legierung verdampfen, der erstarrende Stahl kristallisiert mit einem hohen Anteil an magnetisierbarem Ferrit. Bei einem kleinen Schmelzpool erstarrt die Schmelze deutlich schneller. Der Stickstoff verbleibt in der Legierung; der Stahl kristallisiert dann vor allem in Form von nichtmagnetischem Austenit.

Da beim 3D-Druck lokal Temperaturen von mehr als 2500 Grad Celsius erreicht werden, können nicht nur Edelstähle, sondern auch viele andere Legierungen gezielt behandelt und verschiedene Bestandteile einer Legierung verdampft werden, z. B. Mangan, Aluminium, Zink, Kohlenstoff und mehr. So lässt sich die chemische Zusammensetzung lokal verändern. Anwendungen des neuen Verfahrens sieht man z. B. bei Formgedächtnislegierungen oder Feinstrukturen von Elektromotoren.

Weitere Informationen

  • Ausgabe: 2
  • Jahr: 2021
  • Autoren: Dr.-Ing. Richard Suchentrunk

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