Neue Werkstoffe für die Additive Fertigung

Am Institut für Werkstoffe werden neue Legierungen für die additive Fertigung mittels selektivem Laserschmelzen entwickelt, bestehende Legierungen optimiert, und grundlegende metallurgische Effekte bei diesem Herstellungsprozess untersucht. Im Folgenden findet sich eine kurze Übersicht über aktuelle Arbeiten.

Nickelbasis Superlegierungen für SLM

Aufgrund der vielen Vorteile der additiven Fertigung werden auch Nickelbasis-Superlegierungen für diesen Herstellungsprozess entwickelt und optimiert.

Titanlegierungen für pulverbettbasiertes Schmelzen (LPBF)

Im Bereich der Osteosynthese und Implantattechnik kommen Titanlegierungen aufgrund ihrer guten mechanischen Eigenschaften, Korrosionsbeständigkeit und Biokompatibilität häufig zur Anwendung. Typische eingesetzte Werkstoffe sind u. a. Titan technischer Reinheit (CP-Ti) z. B. als Implantat und Ti 6Al 4V (ELI) oder Ti 6Al 7Nb als Abutment.

Die additive Fertigung durch pulverbettbasiertes Schmelzen mittels Laser (engl. Laser Powder Bed Fusion, LPBF) ermöglicht die Herstellung komplexer und endkonturnaher Bauteile direkt aus einem CAD-Modell heraus. Aufgrund dessen ist der 3D-Druck von auf den Patienten maßgeschneiderten Implantaten auf der Basis von Röntgen- oder kernspintomographischen Aufnahmen denkbar. Gleichzeitig werden gegenüber der konventionellen Fertigung Prozessschritte wie die Herstellung von Halbzeugen und die nachfolgende Zerspanung eingespart oder verkürzt. Jedoch ist eine Verwendung von konventionellen Titanlegierungen beim LPBF-Prozess zurzeit mit deutlichen Einschränkungen verbunden, wozu u. a. das Pulverhandling durch die hohe Reaktivität von Titan mit Sauerstoff bzw. die mögliche Reaktion mit Sauerstoff während des Druckvorganges und die kolumnare Gefügestruktur von gedruckten Teilen und der damit einhergehenden signifikanten Richtungsabhängigkeit der mechanischen Eigenschaften gehören.

In einem Forschungsprojekt am IfW werden daher Titanlegierungen entwickelt, die hinsichtlich der chemischen Zusammensetzung auf den LPBF-Prozess maßgeschneidert und für den Einsatz im Dentalbereich (Implantate und Abutments) vorgesehen sind. Auf den Einsatz der Legierungselemente Aluminium und Vanadium wird dabei verzichtet. Dadurch sollen sowohl die Vorteile der additiven Fertigung für den Patienten als auch die sich aus dem 3D-Druck von Produkten ergebenden wirtschaftlichen Vorteile für Implantathersteller mit den medizinischen Vorteilen von Aluminium- und Vanadium-freien Titanlegierungen kombiniert und durch eine gezielte Legierungsentwicklung gegenwärtige Probleme und Schwierigkeiten beim LPBF-Prozess behoben werden.

Weitere Werkstoffe

Aluminium und -Legierungen

Bauteile aus Aluminiumlegierungen werden bereits vielfach erfolgreich mittels SLM hergestellt, wohingegen reines Aluminium aufgrund seiner hoher Wärmeleitfähigkeit und seines niedrigen Absorptionsgrades bisher nicht oder nur schwer zu verarbeiten war. Das technische Potential für Bauteile aus reinem Aluminium ist zwar eher gering, für die Grundlagenforschung ist die Herstellung von reinem Aluminium mittels SLM jedoch durchaus von Interesse.

Eine bereits gut etablierte Al-Legierung für die additive Fertigung ist AlSi10Mg. Am Institut für Werkstoffe werden Gitterstrukturen aus AlSi10Mg hergestellt und in Kooperation mit der University of Kent mechanisch charakterisiert.

Kupfer und -Legierungen

Kupfer und niedriglegierte Kupferlegierungen galten lange Zeit als nicht herstellbar mit SLM. Die technische Entwicklung der SLM-Anlagen in den letzten Jahren (z.B. höhere Laserleistung) hat dazu geführt, dass nun auch Kupferlegierungen in den Fokus von Forschung und Entwicklung rücken. Momentan arbeitet das IfW an der untersuchung des Ausscheidungsverhaltens in niedriglegierten Kupferlegierung nach dem selektiven Laserschmelzen.

Weitere Informationen: Dr. T. Fiedler