Eine neue Methode wurde von den Ingenieuren der Washington State University entwickelt, mit welcher zwei unterschiedliche Stähle mithilfe von zwei Schweißmaschinen in derselben kreisförmigen Schicht gedruckt werden können. Das daraus resultierende bimetallische Material erwies sich als 33 % bis 42 % stärker als jedes Material für sich genommen. Das Ergebnis wird von den Ingenieuren auf den Innendruck zurück geführt, der durch die unterschiedlichen Abkühlungsgeschwindigkeiten der Materialien entsteht.
Hersteller und Reparaturwerkstätte könnten diese neue Methode bald verwenden, da sie auf relativ kostengünstigen Alltagswerkzeugen basiert.
Nach einer Weiterentwicklung könnte sie möglicherweise zur Herstellung hochleistungsfähiger medizinischer Implantate oder sogar von Teilen für die Raumfahrt verwendet werden, so der Hauptautor der in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlichten Studie Amit Bandyopadhyay.
„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.“, erklärt Bandyopadhyay, Professor an der WSU School of Mechanical and Materials Engineering.
Die Natur als Vorbild
Die Idee hat sich das Forschungsteam von der Natur abgeschaut, als es feststellte, dass Bäume und Knochen ihre Festigkeit durch die Wechselwirkungen der aus verschiedenen Materialien bestehenden Schichtringe erhalten. die WSU-Forscher verwendeten Schweißgeräte um dies bei Metallen nachzuahmen, 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.
Momentan erfordert der 3D-Druck mit mehreren Metallen in einer Schweißanlage eine Unterbrechung und einen Wechsel der Metalldrähte. Bei der neuen Methode entfällt diese Unterbrechung jedoch 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. 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.“, so Lile Squires, Erstautorin der Studie und WSU-Doktorandin im Bereich Maschinenbau.
Zukünftige Einsatzmöglichkeiten
Für Automobilhersteller könnten sich bald neue Optionen für ein Schnellverfahren eröffnen, in welchem starke, maßgeschneiderte Stahlteile mithilfe der Möglichkeit hergestellt werden, die 3D-gedruckten Metallteile Schicht für Schicht zu verstärken. 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.
Die Forscher und die WSU haben eine vorläufige Patentanmeldung für ihre Entwicklung eingereicht.
„Bei dem Konzept werden beide Schweißmaschinen eingesetzt, sodass wir mehrere Materialien in derselben Schicht verwenden und die Vorteile nutzen können, wenn sie sich verbinden. Es muss nicht bei nur zwei Materialien bleiben. Das Konzept lässt sich erweitern.“, erklärt Bandyopadhyay.
