Neue 3D-Druckmethode baut Strukturen aus zwei Metallen auf

May 29, 2024

PULLMAN, Washington – In Anlehnung an die strukturelle Komplexität von Bäumen und Knochen haben Ingenieure der Washington State University eine Möglichkeit entwickelt, zwei Stahlsorten in derselben kreisförmigen Schicht mithilfe von zwei Schweißmaschinen in 3D zu drucken. Das resultierende bimetallische Material erwies sich als 33 bis 42 % stärker als jedes Metall allein, was teilweise auf den Druck zurückzuführen ist, der zwischen den Metallen beim Abkühlen entsteht.

Die neue Methode verwendet gängige, relativ kostengünstige Werkzeuge, so dass Hersteller und Reparaturwerkstätten sie in naher Zukunft einsetzen könnten. Mit der weiteren Entwicklung könnte es möglicherweise zur Herstellung leistungsstarker medizinischer Implantate oder sogar von Teilen für die Raumfahrt verwendet werden, sagte Amit Bandyopadhyay, leitender Autor der in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlichten Studie.

„Es hat ein sehr breites Anwendungsspektrum, da jeder Ort, an dem Schweißarbeiten jeglicher Art durchgeführt werden, jetzt seine Designkonzepte erweitern oder Anwendungen finden kann, bei denen ein sehr hartes Material und ein weiches Material fast gleichzeitig kombiniert werden können“, sagte Bandyopadhyay, Professor an der School of der WSU Maschinenbau und Werkstofftechnik.

Das Forschungsteam entlehnte die Idee der Natur und stellte fest, dass Bäume und Knochen ihre Stärke aus der Art und Weise beziehen, wie geschichtete Ringe aus verschiedenen Materialien miteinander interagieren. Um dies bei Metallen nachzuahmen, verwendeten die WSU-Forscher Schweißgeräte, die üblicherweise in Automobil- und Maschinenwerkstätten zu finden sind und in eine numerische Computersteuerung oder eine CNC-Maschine integriert sind. Der neue Hybridaufbau erstellt Teile mithilfe präziser Computerprogrammierung und zwei Schweißköpfen.

In einer Demonstration arbeiteten die beiden Schweißköpfe direkt nacheinander an einer kreisförmigen Schicht, um zwei Metalle mit jeweils spezifischen Vorteilen zu drucken. Ein korrosionsbeständiger Edelstahlkern wurde in einem Außengehäuse aus billigerem „weichem“ Stahl hergestellt, wie er in Brücken oder Eisenbahnen verwendet wird. Da die Metalle beim Abkühlen unterschiedlich schnell schrumpfen, entsteht ein Innendruck, der die Metalle im Wesentlichen zusammenhält. Tests ergaben, dass das Ergebnis eine höhere Festigkeit aufweist als Edelstahl oder Baustahl allein.

Derzeit erfordert der 3D-Druck mit mehreren Metallen in einer Schweißanordnung das Anhalten und Wechseln der Metalldrähte. Die neue Methode eliminiert diese Pause und bringt zwei oder mehr Metalle in dieselbe Schicht, während die Metalle noch heiß sind.

„Bei dieser Methode werden die Metalle kreisförmig statt nur in einer Linie abgeschieden. Dadurch weicht es grundlegend von dem ab, was bisher möglich war“, sagte Lile Squires, Doktorandin für Maschinenbau an der WSU und Erstautorin der Studie. „Wenn man sich im Kreis bewegt, kann sich im Wesentlichen ein Material an das andere Material anschmiegen, was beim Drucken in einer geraden Linie oder in Sandwichschichten nicht passieren kann.“

Die Fähigkeit, 3D-gedruckte Metallteile Schicht für Schicht zu verstärken, könnte Automobilwerkstätten bald neue Möglichkeiten eröffnen und die Möglichkeit bieten, schnell starke, maßgeschneiderte Stahlteile herzustellen. So könnten beispielsweise bimetallische, drehmomentfeste Achswellen oder kostengünstige, leistungsstarke Bremsscheiben entwickelt werden.

Für die Zukunft sehen die Forscher Potenzial für medizinische Herstellungsverfahren, bei denen Gelenkersatzteile außen mit haltbarem Titan und innen mit einem Material wie magnetischem Stahl mit heilenden Eigenschaften bedruckt werden. Ebenso könnten Strukturen im Weltraum über ein hochtemperaturbeständiges Material verfügen, das das Innenmaterial mit Kühleigenschaften umgibt, um der Struktur dabei zu helfen, eine konstante Temperatur aufrechtzuerhalten.

„Bei diesem Konzept drucken beide Schweißer, sodass wir mehrere Materialien in derselben Schicht selbst verwenden können, was durch ihre Kombination Vorteile schafft“, sagte Bandyopadhyay. „Und es muss nicht bei nur zwei Materialien bleiben. Es ist erweiterbar.“ Für diese Entwicklung haben die Forscher und die WSU einen vorläufigen Patentantrag eingereicht. Neben Bandyopadhyay und Squires gehört zum Forschungsteam auch der Zweitautor Ethan Roberts, ein Student des Maschinenbaus an der WSU. Diese Forschung wurde von der National Science Foundation unterstützt.