Additive Fertigung metallischer Gläser

Fachartikel für das Lasermagazin „Neue Werkstoffe“

Gelingt es, Metallschmelzen ohne Kristallisation erstarren zu lassen, erhält man eine ungeordnete, amorphe atomare Struktur. Man spricht von amorphem Metallen oder metallischem Glas. Der Technologiekonzern Heraeus entwickelt und vertreibt bereits heute diese neuartige Materialklasse. Die Erforschung neuer, gezielt an die technischen Anforderungen angepasster Legierungen, sowie die Entwicklung technologischer Verfahren zur Herstellung und Verarbeitung amorpher Metalle stehen dabei in besonderem Fokus. Ziel ist diese neuartige Materialklasse mit ihrem einzigartigen Eigenschaftsprofil neuen Märkten und Anwendungen zugänglich zu machen. In Teil 1 der Serie wurden die Grundlagen und Eigenschaften amorpher Metalle beschrieben. Teil 2 beleuchtet die Herausforderungen und Potentiale rund um aktuelle Entwicklungen zur industriellen Verarbeitung amorpher Metalle mittels generativer Verfahren.

Eine vielversprechende Alternative zur Herstellung makroskopisch großer Bauteile bzw. Halbzeuge über gusstechnische Verfahrensrouten ist die additive Synthese mittels generativer Fertigungsverfahren. Hierbei lassen sich die mit den kritischen Abkühlraten bzw. maximal realisierbaren Abgussdicken verbundenen Problematiken der Reinheit und Kontamination, sowie die mit komplexeren Bauteilgeometrien einhergehenden Schwierigkeiten bei gusstechnischen Verfahren geschickt umgehen.

Grundsätzlich sind dabei zwei Ansätze zu unterscheiden: zum einen ein additiver Aufbau von Bauteilen aus amorphem Halbzeug wie z. B. Granulat oder Pulver mittels Thermoplastischen Formens (Vgl. Abb. 1); zum anderen die Herstellung amorpher Bauteile über Verfahren, bei welchen die Legierung zunächst erneut aufgeschmolzen wird und anschließend amorph, d. h. als Glas, erstarrt. Bei Letzterem muss das zugrunde liegende Feedstock-Material/Halbzeug nicht zwangsläufig bereits im Glaszustand vorliegen. Formgebung und Glasbildung sind somit zunächst gekoppelt, können jedoch durch anschließendes thermoplastisches Formen erneut entkoppelt werden (Vgl. Abb. 1). Aufgrund der Tatsache, dass es sich bei unterkühlten Schmelzen um thermodynamisch metastabile Systeme handelt, erfordert das Thermoplastische Formen eine genaue Kenntnis der thermischen Stabilität der Legierung. Letztere beschreibt wie lange die hochviskose, unterkühlte Schmelze stabil gegenüber einsetzender Kristallisation ist, und bestimmt somit das verfügbare Prozessfenster zur Umformung. Wie die Glasbildungsfähigkeit variiert auch die thermische Stabilität stark mit der Legierungszusammensetzung. In Zusammenarbeit mit uni versitären Partnern erforscht Heraeus die Technologie des Thermoplastischen Formens und entwickelt neue, glasbildende Legierungen, welche sich speziell für dieses Umformverfahren eignen. Abseits der Umformung von gegossenem Bulkmaterial, wird ebenfalls untersucht, wie sich Bauteile auf Basis amorphen Pulvers fertigen lassen.

Neben Ansätzen zum thermoplastischen Formen (Kompaktieren) der Pulver erforscht und entwickelt Heraeus zudem die additive Fertigung amorpher Metalle mittels Pulverbettverfahren wie Elektronenstrahlschmelzen oder Selektivem Laserstrahlschmelzen.

Pulverbettverfahren

Als additiv oder generativ bezeichnet man Fertigungsprozesse, die durch schichtweisen Aufbau Lage für Lage Bauteile aus Metallen, Polymeren oder Sondermaterialien erzeugen. Im Falle der sogenannten Pulverbett- Verfahren werden Schichten eines Pulvers mit typischen Partikelgrößen von 10-100 μm auf eine Bauplattform aufgetragen und der Querschnitt des zu erzeugenden Bauteils per Laser (Selektives Laserschmelzen) oder Elektronenstrahl (Selektives Elektronenstrahlschmelzen) aufgeschmolzen und mit darunterliegenden Bauteilschichten verschweißt (s. Abb. 2). In dieser Weise lassen sich schichtweise komplexeste Strukturen aus einer Vielzahl an Werkstoffen herstellen. Beschränkungen fertigungsgerechter Konstruktion für klassische Fertigungsverfahren gelten hier nicht mehr, da ohne Werkzeug auch Überhänge, Hinterschnitte oder Hohlräume erzeugt werden können.

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Potentiale und Herausforderungen bei der additiven Fertigung metallischer Gläser

Die generelle Eignung additiver Fertigungsverfahren wie Elektronenstrahlschmelzen (EBM) und selektivem Laserstrahlschmelzen (SLM) zur generativen Fertigung von metallischem Glas konnte in neueren Arbeiten bereits bestätigt werden. Die Nutzung generativer Verfahren wie SLM zur erstellung von Bauteilen aus metallischen Glas wäre ein Durchbruch, nicht nur für den langerhofften Einsatz von metallischen Gläsern als Strukturmaterial, sondern ebenso für die endformnahe Herstellung hochfester, metallischer Bauteile komplexer Geometrien. Das Aufschmelzen lediglich dünner Pulverschichten resultiert zwangsläufig in sehr hohen Abkühlraten, die die notwendigen Abkühlraten zur Herstellung metallischer Gläser gewährleisten. In der Literatur werden erzielbare Abkühlraten von 4 × 104 K/s bis 5 × 106 K/s berichtet. Moderne speziell entwickelte, glasbildende Legierungssysteme erstarren bereits bei Abkühlraten <10² K/s amorph. Die hohe Leistungsdichte moderner Lasersysteme bei leichzeitig kleinen Fokusdurchmessern erlaubt weiterhin ein schnelles und präzises Aufschmelzen von Pulverschichten oder Bauteiloberflächen. Hierdurch lassen sich komplexe, dünnwandige Bauteile produzieren, die gusstechnisch nicht realisierbar sind. Durch den generativen Aufbau einzelner Schichten lassen sich zudem nicht nur dünne bzw. wenige Millimeter kleine, sondern auch makroskopisch größere Bauteile erzeugen, deren Abmessungen die mittels Gussverfahren herstellbaren Bauteilgrößen sogar übertreffen.

Abseits der oben genannten Vorteile im Vergleich zu konventionelleren Herstellungsverfahren zur Herstellung metallischer Gläser gilt es jedoch auch beim 3D-Druck gewisse, verfahrensbedingte Herausforderungen zu meistern. Ein Beispiel ist der Wärmeeintrag in das Material. Um einen amorphen Strukturzustand zu gewährleisten muss die mittels Laser-/Elektronenstrahl eingebrachte Wärme effektiv abgeleitet werden. Durch den schichtweisen Aufbau geschieht dies vornehmlich durch das Bauteil selbst, d.h. entlang der zuvor erstellten, darunterliegenden Schichten. Im Zuge der Herstellung von Bauteilen erfahren die einzelnen Schichten somit einen akkumulierten Wärmeeintrag, was wiederum zur Kristallisation (s. Abb. 1) und somit zu einem Verlust der für den amorphen Zustand charakteristischen Eigenschaften führen kann. Die Herstellung amorpher Bauteile erfordert demnach eine Kenntnis der thermophysikalischen Eigenschaften der Legierungen, und bedingt eine Anpassung der Prozessführung auf die thermische Stabilität des Materials.

Zudem werden ebenfalls hohe Anforderungen an die Pulvereigenschaften gestellt. Das Erzeugen glatter und dichter Pulverschichten setzt eine gewisse Fließfähigkeit des Pulvers voraus, welche neben Einflüssen wie z. B. der Feuchtigkeit maßgeblich durch Form und Verteilung der Partikel gegeben wird. Die Qualität des Pulverbetts ist entscheidend für die entstehenden Materialeigenschaften (z. B. Porosität) und wirkt sich somit wiederum auf die mechanischen Eigenschaften der Bauteile aus.

Die Bestimmung geeigneter Prozessparameter ist folglich eine komplexe, keinesfalls triviale Aufgabe. Vielmehr erfordert diese umfassende Studien unter Vernetzung experimenteller und simulativer Methoden. Die Gewährleistung optimaler Bauteileigenschaften bedingt die gezielte Anpassung der Prozesse auf allen Ebenen der Additiven Fertigung: Pulverentwicklung, -herstellung und -charakterisierung, sowie die Entwicklung und Optimierung Legierungs- und Bauteil-angepasster Prozessparameter. Heraeus nutzt interdisziplinäre Expertise in der eigenen Forschung & Entwicklung von Materialien und Prozessen für die additive Fertigung sowie für kundenspezifische Entwicklungen.