Ingenieure der Washington State University haben eine Methode entwickelt, zwei unterschiedliche Stähle mithilfe von zwei Schweißmaschinen in derselben kreisförmigen Schicht zu drucken. Das daraus resultierende bimetallische Material erwies sich als 33 % bis 42 % stärker als jedes Material für sich genommen. Sie führen das zum Teil auf den Innendruck zurück, der durch die unterschiedlichen Abkühlungsgeschwindigkeiten der Materialien entsteht.
Die neue Methode könnte bald von Herstellern und Reparaturwerkstätten verwendet werden, da sie auf relativ kostengünstigen Alltagswerkzeugen basiert. Nach ihrer Weiterentwicklung könnte sie möglicherweise zur Herstellung hochleistungsfähiger medizinischer Implantate oder sogar von Teilen für die Raumfahrt verwendet werden, sagte Amit Bandyopadhyay, Hauptautor der in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlichten Studie.
„Die Anwendungsmöglichkeiten sind sehr breit gefächert, denn überall dort, wo geschweißt wird, können die Designkonzepte erweitert oder Anwendungen realisiert werden, bei denen ein sehr hartes Material und ein weiches Material fast simultan kombiniert werden.“, so Bandyopadhyay, Professor an der WSU School of Mechanical and Materials Engineering.
Inspiration aus der Natur
Das Forschungsteam hat sich die Idee von der Natur abgeschaut, als es feststellte, dass Bäume und Knochen ihre Festigkeit durch die Wechselwirkungen der aus verschiedenen Materialien bestehenden Schichtringe erhalten. Um dies bei Metallen nachzuahmen, verwendeten die WSU-Forscher Schweißgeräte, wie sie in Automobil- und Maschinenwerkstätten zu finden sind, und integrierten sie in eine computergesteuerte CNC-Maschine. Die neue hybride Anlage erstellt die Teile mithilfe einer präzisen Computerprogrammierung und zwei Schweißköpfen.
In der Pilotanlage des neuen 3D-Druckverfahrens arbeiten zwei Schweißköpfe nacheinander an einer kreisförmigen Schicht, um zwei Metalle mit jeweils spezifischen Vorteile zu drucken: eine äußere Hülle aus billigerem „Baustahl“, wie er bei Brücken oder Eisenbahnen verwendet wird, und einen korrosionsbeständigen Edelstahlkern im Inneren. Da die Metalle beim Abkühlen unterschiedlich schnell schrumpfen, entsteht ein Innendruck, der die Metalle quasi zusammenklemmt. Tests haben gezeigt, dass das Ergebnis eine höhere Festigkeit aufweist als Edelstahl oder Baustahl für sich genommen.
Derzeit erfordert der 3D-Druck mit mehreren Metallen in einer Schweißanlage eine Unterbrechung und einen Wechsel der Metalldrähte. Bei der neuen Methode entfällt diese Unterbrechung und es werden zwei oder mehr Metalle in derselben Schicht aufgebracht, während die Metalle noch heiß sind.
„Bei dieser Methode werden die Metalle kreisförmig und nicht nur in einer Linie abgeschieden. Damit weicht es grundlegend von dem ab, was bisher möglich war.“, sagte Lile Squires, eine WSU-Doktorandin im Bereich Maschinenbau und Erstautorin der Studie. „Durch die Kreisbewegung wird es möglich, dass das eine Material das andere umschließt. Wenn man in einer geraden Linie oder in sandwichartigen Schichten druckt, geht das nicht.“
Möglichkeiten für die Zukunft
Die Möglichkeit, 3D-gedruckte Metallteile Schicht für Schicht zu verstärken, könnte den Automobilherstellern bald neue Optionen eröffnen, um im Schnellverfahren starke, maßgeschneiderte Stahlteile herzustellen. So könnten zum Beispiel bimetallische, drehmomentfeste Achswellen oder kostengünstige Hochleistungsbremsscheiben entwickelt werden.
Für die Zukunft sehen die Forscher das Potenzial für medizinische Fertigungsverfahren, bei denen Gelenkersatz mit haltbarem Titan auf der Außenseite und einem Innenmaterial wie magnetischem Stahl mit heilenden Eigenschaften gedruckt wird. Ebenso lassen sich Raumfahrtstrukturen mit einem hochtemperaturbeständigen Material herstellen, das einen Kern mit kühlenden Eigenschaften umgibt, damit die Struktur eine konstante Temperatur beibehält.
„Bei dem Konzept werden beide Schweißmaschinen eingesetzt, sodass wir mehrere Materialien in derselben Schicht verwenden und die Vorteile nutzen können, wenn sie sich verbinden.“, so Bandyopadhyay. „Es muss nicht bei nur zwei Materialien bleiben. Das Konzept lässt sich erweitern.“
Die Forscher und die WSU haben eine vorläufige Patentanmeldung für ihre Entwicklung eingereicht.
