Materialforschung Metall-3D-Druck effizienter machen

Bauteile aus Metall lassen sich mittels 3D-Druck nicht nur flexibler designen. Die sogenannte additive Fertigung spart auch Material und Energie im Vergleich mit herkömmlichen Herstellungsverfahren wie etwa dem Guss aus einer Schmelze. Diese Einsparpotenziale voll auszuschöpfen ist Ziel des Projekts REACT, kurz für „Resource Efficient Additive manufacturing of martensitic Cr-sTeels“. Das Projekt unter Leitung von Prof. Dr. Sebastian Weber, Inhaber des Lehrstuhls Werkstofftechnik der Ruhr-Universität Bochum, startet mit einer Kick-off-Veranstaltung aller sechs Partner am 14. März 2023. Es wird mit 1,7 Millionen Euro vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz gefördert.

Rohstoffe sparen

Die additive Fertigung umfasst verschiedene Verfahren, bei denen jeweils das Material nur dorthin gelangt, wo es auch bleiben soll. Ein Beispiel ist der pulverbettbasierte 3D-Druck mit Metallpulvern. Dabei wird eine dünne Pulverschicht auf eine Bauplattform gestrichen und die Pulverpartikel werden dann mit einem Laserstrahl nur dort aufgeschmolzen und so miteinander verbunden, wo das fertige Bauteil entsteht. Schicht für Schicht bildet sich so das Produkt im Pulverbett heraus. Das lose Pulver wird später entfernt, nur das Bauteil bleibt übrig. Rund um diesen Prozess gibt es jedoch noch viel Forschungsbedarf: Wie kann es zum Beispiel gelingen, Pulverpartikel herzustellen, die möglichst alle die optimale Größe für die additive Fertigung haben? „Zu große oder zu kleine Partikel müssen verworfen werden“, erklärt Sebastian Weber. „Daher berechnen wir schon im Vorfeld der Pulverherstellung, wie wir die Ausbeute passender Partikel möglichst optimieren können.“ Eine Pulververdüsungsanlage im Labormaßstab steht für Experimente zur Verfügung.

Materialeigenschaften verbessern

Die Zusammensetzung des Werkstoffs – in diesem Fall Chromstahl – ist ebenfalls Gegenstand der Forschung. „Bewährte Legierungen wurden für andere Anwendungen wie Gussverfahren entwickelt und für die additive Fertigung zweckentfremdet“, erklärt Forschungsgruppenleiter Dr. Jonathan Lentz. „Für additive Herstellungsverfahren muss man die Rezepturen der Legierungen anpassen.“ Die Bochumer Forschenden richten ihr Augenmerk vor allem auf das Element Stickstoff als Legierungsbestandteil. Richtig eingesetzt kann es die Druckbarkeit und die Lebensdauer von additiv gefertigten Bauteilen erhöhen. „Allerdings muss man Stickstoff während aller Prozessschritte im Blick haben, da er dazu neigt zu entweichen“, so Sebastian Weber.

Alles recyclen

Schließlich widmen sich die Partner im Projekt auch der Frage, wie man additiv gefertigte Metallprodukte und übrig gebliebene Pulver recyceln oder für den 3D-Druck upcyceln kann, damit ein geschlossener Kreislauf entsteht. „Eine Voranalyse hat ergeben, dass die neuen Fertigungsstrategien das Potenzial bieten, bis zu 97 Prozent an Energie in den fokussierten Produkten der Projektpartner einzusparen – und das bei schnellerer und günstigerer Fertigung mit besseren Materialeigenschaften“, resümiert Weber.

Gesamte Prozesskette optimieren

Durch das Projektkonsortium wird die gesamte Prozesskette von der Entstehung des Stahls bis zur Veredlung des Endproduktes abgebildet. Dies macht es möglich, die Prozesskette ganzheitlich zu betrachten und zu optimieren. Der Lehrstuhl Werkstofftechnik begleitet dabei alle Schritte von der Legierungsentwicklung über die Produktion der Metallpulver, den 3D-Druck und die Wärmebehandlung bis hin zur Charakterisierung der Endprodukte. Besonderer Fokus liegt dabei auf der Bilanzierung der Energieeffizienz entlang der Prozesskette.