Im Rahmen der Scarce Element Richtlinie ist die Industrie angehalten, mit der knappen Ressource Seltene Erden mit Bedacht umzugehen. Vor diesem Hintergrund gewinnt eine neue Entwicklung im Bereich 3D-Druck solcher Metalle an der Technischen Chemie der Universität Duisburg-Essen (UDE) an Bedeutung. Das rund 950.000 Euro teure Großgerät ist weltweit einzigartig, und zeichnet sich besonders dadurch aus, dass es das Baumaterial bereits während des Herstellungsprozesses analysiert und so ein Qualitätsmonitoring in Echtzeit ermöglicht.
Seltene Erden sind neben ihrer Verwendung in elektronischen Bauteilen und bei der Herstellung leistungsfähiger Magneten auch unverzichtbare Bestandteile von Elektromotoren. Obwohl prinzipiell genügend in der Erdkruste vorhanden, sind die Abbaugebiete jedoch beschränkt und in den Händen einiger weniger Staaten. Gerade die weltpolitische Situation hat zu einer Verknappung dieser Metalle in Europa und zu einer damit verbundenen Preiserhöhung geführt.
Frühzeitig Defekte von 3D-Teilen vermeiden
Industriell relevante und komplexe Bauteile aus verschiedenen Metallen innerhalb weniger Stunden herstellen ist mittlerweile Realität im Bereich der additiven Fertigung. Mittels 3D-Druckern wird Metallpulver in dünnen Schichten aufgetragen, vom Laser verschmolzen und Schicht für Schicht entsteht das gewünschte Objekt. Doch bei manchen Materialien, wie zum Beispiel bei Permanentmagneten, stößt diese Methode an ihre Grenzen. Denn die Mikrostruktur der 3D-gedruckten Bauteile weicht häufig wesentlich von herkömmlich gefertigten Teilen ab. Der entscheidende Unterschied sind hier die extrem hohen Abkühlraten. Nachdem der Laser den zu schmelzenden Bereich passiert hat, kühlt das Material in weniger als einer Sekunde um mehr als 1000 °C ab. Dadurch haben die Elemente nicht ausreichend Zeit, um sich in der für die permanent-magnetischen optimalen Kristallstruktur anzuordnen. Zusätzlich war bis jetzt die Überprüfung der Elementverteilung der gedruckten Magnete nur über sogenannte Ex-situ-Methoden möglich, also erst nach dem Herstellungsprozess. Dies ist jedoch kein Spezifikum magnetischer Materialien, sondern gilt allgemein für den Bereich des metallischen 3D-Drucks. Fehler können so erst nach dem abgeschlossenen Druck erkannt werden. „Das kostet enorm viel Zeit und Geld“, erklärt Dr. Anna Rosa Ziefuß, Gruppenleiterin Oberflächenchemie und Laserprozessierung der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Stephan Barcikowski. „Denn defekte Teile werden so erst nach dem teils mehrtägigen Prozess erkannt. Zur effektiven Qualitätssicherung ist eine In-situ-Prüfung, also eine Analyse direkt während des Druckprozesses entscheidend – gerade auch, wenn es um sensible Materialien für die Luftfahrt oder Medizin geht.“
Überwachung des Bauteilaufbaus während des Druckprozesses
Die Idee der Forschenden war es deshalb, die genaue Materialkomposition der Bauteile in Echtzeit zu überwachen. Das soll über die sogenannte optische Emissionsspektrometrie (OES) gelingen. Sie ist im 3D-Drucker installiert und analysiert jede Pulverlage direkt und das sogar in einer beachtlich großen Auflösung. Dies ist auch notwendig, da eine Pulverlage nur rund 42 Mikrometer dünn ist, was etwa dem Durchmesser eines sehr feinen menschlichen Haares entspricht. Die aufgenommenen Daten werden dann zu einem digitalen Modell zusammengeführt und am Computer analysiert. Gibt es bereits Druckersysteme, welche die Temperatur während des Prozesses messen können oder unregelmäßige Schmelzen, Poren oder Risse aufzeichnen, so ist die Erweiterung um die Faktoren Zusammensetzung und Verteilung weltweit einzigartig. Das war wohl auch der Grund warum die Deutsche Forschungsgemeinschaft DFG diese Entwicklung und damit auch das neue Großgerät zu einem wesentlichen Teil finanziert hat.
Nun haben die Forschenden an der Technischen Chemie der Universität Duisburg-Essen (UDE) zwei Jahre Zeit zu zeigen, dass ihre Idee funktioniert. Das Schwierigste dabei ist die Datenauswertung. Gerade durch die sehr hohe Auflösung entsteht eine enorme Datenmenge, die entsprechend prozessiert werden muss. Betrachtet man nur die Seitenfläche eines Würfels mit einem Zentimeter Seitenlänge, so ergibt das bereits etwa zwei Millionen Messstellen. Bei dreidimensionalen Bauteilen relevanter Größe nimmt die Datenmenge nochmals exponentiell zu. Eine nachträgliche Komprimierung dieser Datenmenge ohne Verlust relevanter Daten stellt deswegen eine besondere Herausforderung dar. Eingesetzt wird der Drucker aber auch jetzt schon, z. B. in einem Teilprojekt eines Sonderforschungsbereichs, bei dem es um die Additive Fertigung von Permanentmagneten geht.
