Eine alternative, kostengünstige Technik zur Herstellung von Metallpulvern für den 3D-Druck

08.04.2022 - Indien

Bei der additiven Fertigung (AM), auch bekannt als Metall-3D-Druck, werden Objekte durch schichtweises Auftragen von Material hergestellt. Ein wichtiges Ausgangsmaterial für die additive Fertigung ist Metallpulver, das überwiegend mit einer Technik namens Zerstäubung hergestellt wird, bei der ein geschmolzener Metallstrom mit Hilfe von Luft- oder Wasserdüsen in feine Tröpfchen zerlegt wird. Trotz ihrer weiten Verbreitung ist die Zerstäubung jedoch wenig ergiebig, teuer und unflexibel in Bezug auf die zu verarbeitenden Materialien. Ein Forscherteam des Indian Institute of Science (IISc) unter der Leitung von Koushik Viswanathan, Assistenzprofessor an der Fakultät für Maschinenbau, hat eine alternative Technik zur Herstellung von Metallpulvern entwickelt, die diese Probleme umgeht. Dies hat interessante Auswirkungen auf AM-Prozesse im Allgemeinen, einschließlich Bereichen wie der Herstellung von biomedizinischen Implantaten.

In der Metallschleifindustrie wird das abgetragene Material - Späne genannt - oft als Abfallprodukt entsorgt. Sie haben in der Regel eine strähnige Form, wie Metallspäne, aber oft fallen auch vollkommen kugelförmige Partikel an. Wissenschaftler stellen seit langem die Theorie auf, dass diese Körper einen Schmelzprozess durchlaufen, um die kugelförmige Form anzunehmen, was einige interessante Fragen aufwirft: Wird das Schmelzen durch die Hitze beim Schleifen verursacht? Gibt es überhaupt ein Schmelzen? Viswanathans Team zeigte, dass diese pulverförmigen Metallkörper durch Schmelzen aufgrund der hohen Oxidationswärme, einer exothermen Reaktion, an der Oberfläche entstehen. Anschließend verfeinerten sie diesen Prozess, um große Mengen an kugelförmigen Pulvern zu erzeugen, die gesammelt und weiterverarbeitet werden, um als Ausgangsmaterial für AM verwendet zu werden. Ihre Studie zeigt, dass diese Partikel im Rahmen der Metall-AM genauso gut funktionieren wie handelsübliche gaszerstäubte Pulver.

Priti Ranjan Panda, Doktorand am IISc Centre for Product Design and Manufacturing und einer der Autoren der Studie, fügt hinzu: "Wir haben einen alternativen, wirtschaftlicheren und von Natur aus skalierbaren Weg zur Herstellung von Metallpulvern gefunden, und die Qualität der fertigen Pulver scheint im Vergleich zu herkömmlichen gaszerstäubten Pulvern sehr wettbewerbsfähig zu sein."

Zu den Anwendungsmöglichkeiten ihrer Ergebnisse erklärt Viswanathan: "In jüngster Zeit besteht ein großes Interesse an der Metall-AM, da sie von Natur aus ein hohes Maß an Individualisierung und Designfreiheit ermöglicht. Die hohen Kosten für Metallpulver auf Lager waren jedoch ein Hindernis. Wir hoffen, dass unsere Arbeit neue Türen zu billigeren und besser zugänglichen Metallpulvern öffnen wird."

"Eine Senkung der Kosten des AM-Prozesses (durch kostengünstige Pulver) kann das Spektrum der Materialien erweitern, z. B. bei der Herstellung biomedizinischer Implantate, die billiger und leichter zugänglich werden könnten", fügt Harish Singh Dhami, Doktorand am Fachbereich Maschinenbau und Mitautor dieser Studie, hinzu. Den Forschern zufolge hat die Herstellung von Metallpulver durch Abrieb auch Potenzial für andere Hochleistungsanwendungen, wie z. B. in Flugzeugtriebwerken, wo ein hohes Maß an Spezifität und Raffinesse erforderlich ist.

Derzeit werden Metallpulver in der Regel in einer Zerstäubungsanlage hergestellt und müssen zum Gießen und Recyceln transportiert werden, wodurch eine lange Lieferkette entsteht. Dies funktioniert bei häufig vorkommenden Metallen wie Aluminium, so Viswanathan, aber bei strategischen Materialien (wie Tantal und Lithium), bei denen allein die Gewinnung ein komplexer Prozess ist, wäre ein skalierbarer Prozess zur Herstellung von Metallpulvern von Vorteil. Dann kann im Prinzip die gesamte Lieferkette in einer einzigen Anlage untergebracht werden - eine Möglichkeit, die ihre Technik bieten könnte.

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