3D-Druck-Materialien: Metalle

Am besten funktionieren 3D-Drucker mit Kunststoffen, weil sie sich gut durch die Druckdüse pressen lassen und der schichtweise Aufbau zum fertigen Werkstück umso einfacher wird. Um Metalle verwenden zu können, braucht es deutlich höhere Temperaturen zum Formen. Bei metallischen Werkstoffen mussten Entwickler daher bisher Pulver verwenden, das zunächst mit dem Laser gesintert wurde – ein großer Umweg, da es sich um eine aufwendige Technik handelt. Doch nun fand Ramille Shah, eine Materialwissenschaftlerin an der Northwestern University in Chicago, kürzlich einen effektiven Weg, mit dem sich Metalle drucken lassen, ähnlich wie die Kunststoffe.

Pulvermischungen machen es möglich

Dazu mixte sie mit ihrem Team einfach den Kunststoff PLGA und die Metallpulver zu verschiedenen Tinten, mit welchen normale 3D-Drucker arbeiten können. Fertige Strukturen wurden anschließend in einem Ofen gesintert. Es war überraschend, dass die Werkstücke schrumpften, aber nach den Forschungsberichten weder rissen noch sich verformten. Tatsächlich erreichten sie sogar ein besseres Gefüge, da sie nicht punktuell, sondern gleichmäßig erhitzt wurden. Nach Shahs Angaben funktioniert das Verfahren auch mit Metallen, die mit den klassischen Pulververfahren nicht verarbeitet werden können. Erst, indem man Metalloxide verwendet und sie nach dem Druck durch Erhitzung zum Element reduziert, wäre eine Verarbeitung möglich, sagt Shah.

Leicht und einfach zu bearbeiten: Aluminium und Gallium

Aluminium stellt einen optimalen Kompromiss zwischen Stabilität und Leichtigkeit her. Es kann geschweißt werden und ist korrosionsbeständig. Allerdings ist es verglichen mit Stahl viel anfälliger für Materialermüdung und hält hohen Temperaturen weniger gut stand. Aluminium liegt zudem selten in reiner Form vor, sondern eher als Legierung mit Magnesium oder Silizium. Diese Tatsache verbessert aber seine mechanischen und physikalischen Eigenschaften. Daher wird Aluminium im 3D-Druck vor allem dort verwendet, wo der Gewichtsreduzierung und Elastizität eine wesentliche Bedeutung zukommt.

Der 3D-Gallium-Druck wird im Vergleich zur Verwendung von Aluminium, Stahl und Titan noch erforscht. Es handelt sich dabei um ein Metall, das äußerst selten vorkommt, und meist in einer Metalllegierung mit Indium vorliegt. Diese Verbindung ist besonders selten, weil sie eine äußerst niedrige und für Metalle untypische Schmelztemperatur aufweist (29.7°C). Darüber hinaus härtet die Substanz an der Luft aus, während sie im Inneren flüssig ist. Auf diese Weise können flexible Gegenstände gedruckt werden.

Besonders haltbar: Stahl und Titan

Stahl wird in der Industrie am häufigsten verwendet, und zwar für unterschiedlichste Bauteile. Stahl war das erste Metall, das man im Zuge des 3D-Drucks verwenden konnte. Neben anderen Unternehmen entwickelte Phenix, ein französisches Unternehmen, ein Patent für den Stahldruck. Rostfreier Stahl beziehungsweise Edelstahl findet vor allem in der Medizin, der Maschinenbauindustrie und im Alltag Anwendung. Er verfügt über gute mechanische Eigenschaften und macht die Herstellung von glatten, glänzenden Oberflächen möglich. Auf Edelstahlbasis können sogar goldene oder bronzefarbene Objekte gedruckt werden, wofür bloß einzelne Edelstahl-Pulverschichten mit einem speziellen Klebstoff zu versehen sind.

Dank seiner perfekten Kombination von Leichtigkeit, Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit ist auch Titan ein absolutes Erfolgsmaterial in diversen Bereichen. Wie beim Aluminium bieten Titanlegierungen beste chemische und mechanische Eigenschaften. Im 3D-Druck können Titan-Bauteile noch leichter in komplexeren Formen hergestellt werden. Titan wird aufgrund seiner Leichtigkeit und Haltbarkeit beispielsweise in der Flugzeugindustrie, für Implantate in der Chirurgie oder in der Fahrzeugindustrie wie für Fahrradrahmen verwendet.

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