Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Laser-Strahlschmelzen amorpher Metallpulver (LaSaM) - Entwicklung einer synergetischen Wertschöpfungskette durch ganzheitliche Prozessoptimierung

Amorphe Metalle stellen eine innovative und für technische Anwendungen sehr potente Materialklasse dar. Sie verbinden die hohe Widerstandsfähigkeit von metallischen Werkstoffen mit hervorragenden elastischen Eigenschaften, welche mit Kunststoffen vergleichbar sind. Die zur Herstellung notwendigen hohe Abkühlraten, beschränken in Gussprozessen die Bauteilgröße auf einige Millimeter Durchmesser. Die Additive Fertigung in Form des Laser-Strahlschmelzens (engl.: Laser Powder Bed Fusion, LPBF) erlaubt es bisherige Restriktionen zu überwinden. Die schichtweise Fertigung und prozesstypisch hohen Abkühlraten können synergetisch genutzt werden, um einerseits Komplexität und Größe amorpher Bauteile zu realisieren und andererseits die hohe Abkühlrate für einen technologischen Mehrwert zu funktionalisieren. Im Rahmen des bis Ende 2019 laufenden IGF-Projekts "OptMetGlas" (19927 N) wurde bereits die Herstellbarkeit amorpher Metalle auf Zr-Basis im LPBF-Prozess nachgewiesen. Die mechanische Performanz reicht nahezu an die gegossener Referenzproben heran, es zeigt sich jedoch eigenschaftsbestimmte Abhängigkeiten zum Zustand des verwendeten Ausgangspulvers. Daher soll im Rahmen des Folgeprojektes LaSaM die gesamte Prozesskette von der Legierungssynthese über die Verdüsung und den LPBF-Prozess bis zur Nachbearbeitung amorpher Bauteile mittels moderner Simulations- und Messtechnik analysiert und optimiert werden. Die dafür nötigen Kompetenzen werden von den drei kooperierenden Forschungseinrichtungen - IWT Bremen, LFT Duisburg-Essen und LMW Saarbrücken - abgedeckt. Ziel ist eine synergetische, optimal abgestimmte Material- und Prozesskette, die sowohl den stark KMU-lastigen Branchen der Pulververdüsung und additiven Fertigung, aber auch Analysespezialisten und anwendungsorientierten Mittelständlern die Möglichkeit bietet, die Vorteile additiv gefertigter metallischer Gläser in industriellen Anwendungen umzusetzen.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen von LaSaM wurden drei verschiedene glasbildende Legierungen im CuTi-basierten Vit101-System legiert, zu Pulver verdüst, per PBF-LB/M additiv verarbeitet und anschließend hinsichtlich der AM-Prozesseigung evaluiert. Alle drei Legierungen konnten erfolgreich und wirtschaftlich zu AM-geeigneten Pulver verarbeitet werden. Die Ausgangslegierung Vit101 zeigte sich in der AM-Prozessevaluation überlegen gegenüber ihren durch Zugabe von Silizium und Silizium-Zinn mikrolegierten Derivaten Vit101Si und Vit101SiSn, da mit ihr dichte und rissfreie Proben erzeugt werden können. Dies konnte der höheren Zähigkeit von Vit101 im Vergleich zu den Derivaten zugeschrieben werden. Die thermische Stabilität der Legierungen hingegen zeigte sich weniger gravierend hinsichtlich des Einflusses auf das applizierbare AM-Prozessfenster zur Erzeugung vollamorpher Bauteile. Die mechanischen Eigenschaften wurden mittels Dreipunktbiegung ermittelt. Vit101 setzt dabei neue Rekorde hinsichtlich der erreichbaren Biegefestigkeit von bis zu 2,5 GPa. Vit101 stellt damit eine hochpotente Alternative für additive Fertigungsprozesse dar, und ist dabei vielen anderen metallischen Gläsern überlegen.

Im Rahmen des umfangreichen Demonstratorbaus wurden unter anderem komplexe auxetische Strukturen und Compliant Mechanisms erzeugt, welche die typischen positiven Eigenschaften von metallischen Gläsern, allen voran die hohe elastische Dehnbarkeit, mit den geometrischen Freiheiten der additiven Fertigung vereinen. Daraus resultieren hochfunktionale Bauteile, welche solche aus konventionellen (kristallinen) Metallen in den Schatten stellen.