Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Laser-Strahlschmelzen metallischer Gläser – Optimierung von Werkstoff und Herstellungsverfahren

Metallische Massivgläser sind Legierungen, die aufgrund ihrer amorphen Struktur hohe Streckgrenzen und gleichzeitig hohe elastische Dehnung aufweisen (2%, vergleichbar mit Polymeren). Durch diese Kombination sind metallische Gläser einzigartige Konstruktionswerkstoffe, die für zahlreiche Anwendungen interessant sind. Zur Erzeugung amorpher Strukturen sind hohe Abkühlraten in inerten Atmosphären notwendig, um die Kristallisation der Schmelze während des Abkühlens zu vermeiden. In konventionellen Gießverfahren beschränken diese Abkühlraten die Wandstärke von Bauteilen auf etwa 1 cm. Mit dem Projekt soll diese Limitierung aufgehoben werden. Laser-Strahlschmelzverfahren ermöglichen durch die intrinsisch hohen Kühlraten prinzipiell das Herstellen amorpher Strukturen. Das werkzeuglose Verfahren erlaubt bei Bewältigung aktueller technischer Umsetzungshürden den schichtweisen Aufbau komplexer Strukturen und beliebige Bauteildimensionen. Dadurch kann das Laser-Strahlschmelzen die fertigungstechnischen Restriktionen, die bei der Verarbeitung metallischer Gläser auftreten, lösen, wodurch das Anwendungsspektrum metallischer Gläser erheblich erweitert wird. Das Herstellen amorpher Strukturen im Laser-Strahlschmelzen soll im geplanten Vorhaben durch Legierungs- und Prozessoptimierungen erreicht werden. Aufgrund von spezifischen Anforderungen an den Werkstoff, die sich aus Anwendungen und Fertigungsprozessen ergeben, sollen massivglasbildende Legierungen für den Einsatz in Laser-Strahlschmelzverfahren modifiziert werden. Die Legierungsentwicklung wird mit intelligenten Prozessstrategien kombiniert. Das Wärmemanagement soll so gestaltet werden, dass amorphe Schichten aufgebracht werden, ohne eine Kristallisation in thermisch beeinträchtigten Nachbarregionen auszulösen. Insbesondere KMU können durch ihre Flexibilität und die Möglichkeit der Anpassung ihrer Produktion an disruptive Innovationen ohne erheblichen Investitionsaufwand von zahlreichen neuen Anwendungsfeldern profitieren.

Ergebniszusammenfassung:

Ziel des Vorhabens war die Entwicklung geeigneter Prozessführungen zur additiven Verarbeitung metallischer Gläser im Laser-Strahlschmelzprozess gekoppelt mit einer prozessgerechten Optimierung des Werkstoffes.

Am Beispiel der Zr-basierten Legierung AMZ4 konnte gezeigt werden, dass die herstellbare Größe (ca. 12 mm Durchmesser in Gussverfahren) durch die Verwendung der additiven Fertigungstechnik nahezu beliebig gesteigert werden kann. Innerhalb der Untersuchungen wurden Strategien erarbeitet um defektarme Probekörper und endkonturnahe Demonstratorbauteile mit hoher Dichte (> 99,5 %) und amorpher Mikrostruktur herzustellen. Darüber hinaus wurden materialseitige Einflüsse auf die Defektausprägung und die resultierenden mechanisch-technologischen Eigenschaften ermittelt. Die hergestellten Probekörper zeigen eine hohe Festigkeit über 2,1 GPa gepaart mit einer hohen elastischen Dehngrenze oberhalb von 2 % woraus Potenziale für die Applikation in Leichtbauanwendungen und für hochbelastete nachgiebigen Systemen entstehen. Nachbehandelte Flächen ohne Pulveranhaftungen weisen eine gute Eignung für medizintechnische Anwendungen hinsichtlich ihrer Korrosionsbeständigkeit auf. Anders als gegossene AMZ4-Probekörper, zeigen additiv gefertigte metallische Gläser keine plastische Verformung, was auf die gesteigerte Sauerstoffkontamination innerhalb der Prozesskette zurückzuführen ist. Die Sauerstoffkontamination hat entscheidenden Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften und ungewollte Kristallisationserscheinungen, eine Minimierung des Sauerstoffgehaltes im Pulver und in der Prozessumgebung ist daher anzustreben. Im Gegensatz zu kristallinen Materialien, welche im PBF-Verfahren hergestellt wurden, weisen metallische Gläser keine ausgeprägte Anisotropie nach dem Prozess auf.

Anhand der entwickelten Prozessparameter können amorphe Bauteile aus AMZ4 im Laser-Strahlschmelzverfahren hergestellt oder Prozessführungen für andere Anlagensysteme abgeleitet werden.