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3D-Metalldruck Heraeus erweitert 3D-Drucker für Wolfram

| Autor/ Redakteur: Katharina Reichel / Simone Käfer

Das Refraktärmetall hat den höchsten Schmelzpunkt aller Metalle. Trotzdem ist es gelungen, Wolfram in einem 3D-Drucker zu mechanisch belastbaren Bauteilen zu verarbeiten.

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(Bild: ©vvoe - stock.adobe.com)

Bei 3422 °C liegt der Schmelzpunkt von Wolfram und damit so hoch wie bei keinem anderen Metall. Dies prädestiniert Wolfram für Hochtemperaturanwendungen wie den Ofenbau, als Tiegelmaterial in der Glasindustrie sowie für den Einsatz in elektrischen Hochspannungsleitungen. Aufgrund seiner hohen Dichte von 19,3 g/cm³ dient es außerdem zur Strahlungsabschirmung und als Ausgleichsgewicht in medizinischen Mess- und Röntgengeräten. Doch genau diese Eigenschaften des Refraktärmetalls Wolfram bergen auch Herausforderungen: Sein hoher Schmelzpunkt erschwert es, das Metall in eine gewünschte Form zu gießen. Will man es schmieden, ist Vorsicht geboten, denn bei Raumtemperatur ist das Metall extrem spröde und kaum formbar. Komplexe Geometrien lassen sich deswegen mit herkömmlichen Verfahren nur mit großem Aufwand realisieren. Und nur sehr wenige Anbieter sind in der Lage, Wolfram mittels 3D-Druck zu verarbeiten. Denn ohne den richtigen Prozess sind die gedruckten Bauteile porös und weisen eine hohe Rissdichte auf. Das heißt, sie sind mechanisch nicht belastbar.

Genau vor letzterer Herausforderung stand auch das Team von Heraeus Additive Manufacturing. „Unsere Aufgabe war es, eine geometrieoptimierte Chargiervorrichtung mit Gitterstruktur für einen Kunden zu fertigen. Mit dieser fixiert unser Kunde seine Produkte für einen Wärmebehandlungsprozess“, erklärt Dr. Vera Jüchter, Projektmanagerin bei Heraeus Additive Manufacturing. Der Produktträger selbst muss die Wärmebehandlung unbeschadet überstehen. Er darf sich weder verformen noch oxidieren und sollte kein Einwegprodukt sein. Bei Behandlungstemperaturen von mehr als 1500 °C kamen für den Träger nur wenige Metalle in Frage. Das Team entschied sich für Wolfram: Es ist bei dieser Hitze stabil und chemisch beständig. Stahl etwa würde bei diesen hohen Temperaturen einfach schmelzen. Gleichzeitig muss der Produktträger jedoch auch mechanische Belastungen aushalten. Hier war der Einfallsreichtum der Experten gefragt.

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Der Laser ist zu schwach

„Der herkömmliche LBM-Druckprozess kam für uns nicht in Frage, da die Restporösität im Endprodukt zu groß gewesen wäre“, sagt Jüchter. „Wir haben uns deshalb für das EBM-Verfahren entschieden.“ Für dieses Verfahren spricht der hohe Schmelzpunkt von Wolfram. Im elektronenstrahlbasierten 3D-Drucker (EBM-Verfahren, Electron Beam Melting) kann Wolfram durch die verfügbare Strahlleistung zu höher dichten Bauteilen verarbeitet werden als im laserstrahlbasierte 3D-Drucker (LBM, Laser Beam Melting oder SLM, selectiv Lasermelting, selektives Laserstrahlschmelzen). Von Vorteil sind auch die im Druckraum herrschenden Vakuumbedingungen, denn sie erhöhen die Materialqualität. „Durch das Vakuum reduzieren wir die Aufnahme von Sauerstoff in das Produkt. Das ermöglicht eine hochreine Verarbeitung und wir erhalten sehr feste Strukturen“, erklärt Jüchter.

Der Bauraum ist zu kalt

Allein der Wechsel des 3D-Druck-Verfahrens brachte jedoch noch nicht die gewünschte Lösung für den Produktträger. Denn Wolfram ist bei Raumtemperatur extrem spröde. Das Team von Heraeus fand heraus, dass es sich jedoch in einem vorgeheizten Bauraum in eine mechanisch belastbare Form bringen lässt. „Wir mussten die Bauplatte des Druckers auf Temperaturen von über 1000 °C halten und dabei gleichzeitig die mechanischen und elektronischen Komponenten des Druckers herunterkühlen, um deren Überhitzung zu verhindern“, erklärt Jüchter. Diese Temperaturen sowie die Höhe des Bauteils von 300 mm ließen sowohl konventionelle 3D-Drucker als auch deren Wasserkühlungssysteme an ihre Grenzen stoßen.

Die Maschine ist zu schwach

Zudem ist das Metall wegen seiner hohen Dichte sehr schwer. Für den bestellten Prozessträger lag das Gewicht des Pulvers bei etwa 340 kg – für die mechanischen Komponenten vieler 3D-Drucker zu hoch. „Durch die hohe Dichte und das Gewicht des Materials mussten wir zusätzlich Optimierungen am Rakelsystem und der Pulverzufuhr vornehmen, um einen stabilen Prozess über die 50 Stunden Prozesslaufzeit zu gewährleisten“, erzählt Jüchter weiter. Das entwickelte Verfahren eröffnet nun völlig neue Einsatzmöglichkeiten für Wolfram, zum Beispiel im Ofenbau, bei Strahlenschutzanwendungen oder in der Medizintechnik.

In Kürze:

  • Ohne den richtigen Prozess sind die aus Wolfram 3D-gedruckten Bauteile porös und weisen eine hohe Rissdichte auf.
  • Bei Wolfram empfiehlt sich eine Maschine die im EBM-Verfahren arbeitet.
  • Veränderungen an der Mechanik des 3D-Druckers sind wegen der hohen Dichte des Metalls notwendig.

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„Wir nutzen unsere Expertise aus mehr als 160 Jahren, um neue Werkstoffe für Anwendungen von morgen zu entwickeln“, sagt Alexander Elsen, Head of Innovation bei Heraeus Additive Manufacturing. Auch für die additive Verarbeitung von Wolfram waren das Material- und Prozess-Know-How des Unternehmens ein entscheidender Faktor. Denn neben dem passenden Prozess muss auch das Pulver optimal auf die Anwendung und das Verfahren abgestimmt sein. Für weitere Refraktärmetalle arbeitet man bei Heraeus bereits an optimierten Verfahren und neuen Lösungen für den 3D-Druck, darunter Niob für supraleitende Anwendungen und für Komponenten in der chemischen Reaktionstechnik. Auch hier liegt der Fokus nicht nur auf den Pulvern. Der Druckprozess, die Teilefertigung und die individuelle Kundenberatung hinsichtlich Material, Prozess und Geometrie des Produkts werden stets mitgedacht und verbessert. „Das Potenzial der Additiven Fertigung ist noch lange nicht ausgeschöpft“, erklärt Elsen weiter.

Der Hitzeschutzschild für die chemische Prozesstechnik wurde mit Niob additiv gefertigt.
Der Hitzeschutzschild für die chemische Prozesstechnik wurde mit Niob additiv gefertigt.
( Bild: Heraeus )

Dieser Beitrag wurde ursprünglich auf unserem Partnerportal MM Maschinenmarkt veröffentlicht.

* Katharina Reichel ist International Media Manager bei Heraeus in 63450 Hanau, Tel. (0 61 81) 35-4861

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