Leichtbauteile aus dem Drucker? Experten diskutieren in Lüneburg

Es ist nur wenige Jahre her, da standen die Besucher der Hannover Messe staunend vor einem 3-D Drucker, der Schicht für Schicht ein dreidimensionales Objekt aus Kunststoff schuf. Damals war das Verfahren weitgehend unbekannt, obwohl das eigentliche Grundprinzip schon in den 80er Jahren entwickelt worden war.

Mittlerweile haben 3D-Drucker Einzug in verschiedene Industriezweige gehalten. Die Unternehmen versprechen sich viel von der neuen Technik, die auch Metallpulver wie Titan für verschiedene Industrieprodukte verarbeiten kann.

Dabei schmilzt zum Beispiel ein Laserstrahl das in Zehntelmillimeter dünnen Schichten aufgetragene Metallpulver und setzt so schrittweise vollständige Bauteile zusammen.

Schon heute entstehen auf diese Weise Ersatzteile für industrielle Anlagen, Zahnprothesen oder sogar medizinische Implantate wie an den Patienten angepasste Hüftgelenkpfannen. 3D-Druck ist ein Thema, das auch für Dr. Thomas Ebel und Prof. Florian Pyczak interessant ist.

Beide sind HZG-Abteilungsleiter im Institut für Werkstoffforschung und organisieren die internationale Konferenz. Mit ihren Teams erforschen Ebel und Pyczak neue Legierungen auf Magnesium- oder Titanbasis für Implantat-Prototypen wie etwa Knochenplatten oder spezielle Schrauben für ortho-pädische Eingriffe sowie die Luftfahrt- und Automobilindustrie.

Eine wichtige Aufgabe des Materialwissenschaftlers ist deshalb, existierende metallpulverbasierte Verfahren anzuwenden und weiterzuentwickeln, um aus den hergestellten Legierungen Bauteile zu fertigen.

„Der 3D- Druck besitzt enormes Potenzial, da die Produktionskosten beträchtlich verringert werden können und dem Designer der Komponenten kaum Grenzen gesetzt sind. In der Industrie gibt es deshalb zurzeit geradezu einen Boom. Auf der anderen Seite fehlt noch viel Basiswissen. Was passiert zum Beispiel bei der Herstellung mit dem Material? Deshalb ist die Zusammenarbeit mit der Forschung extrem wichtig. So ergibt sich der 3 D-Druck als ein Schwerpunktthema der diesjährigen Konferenz“, erläutern Ebel und Pyczak.

MIM spart 90 Prozent Material

Ein weiteres Schlüsselthema der Tagung ist das so genannte Metallpulverspritz-gießen, auf Englisch Metal Injection Moulding (MIM), welches die HZG-Forscher als zentrale Herstellungsmethode nutzen. Ähnlich wie beim 3D-Druck handelt es sich um ein additives, im Gegensatz zum subtraktiven Verfahren. Von subtraktiv ist die Rede, wenn Materialmengen entfernt werden müssen, um das eigentliche Endprodukt herzustellen.

Dazu zählen klassische Techniken wie Fräsen, Sägen, Bohren und Drehen, die oft rund 80 bis 90 Prozent Abfall in Form von Spänen produzieren. Die Metallpulverspritzguss-Technik verwendet dagegen nur so viel Rohsubstanz, wie für das spätere Erzeugnis erforderlich ist. Es handelt sich also um ein sehr ressourcenschonendes Verfahren, welches besonders für Großserien attraktiv und wirtschaftlich ist.

Knochenimplantate und langlebige Flugzeugteile

Weitere positive Eigenschaften: MIM verzichtet auf sonst notwendige Vorformen (Halbzeuge) und erlaubt insbesondere die preiswerte Fertigung von kleinen und sehr komplexen Strukturen mit unterschiedlicher Beschaffenheit. So eignet sich die Methode gleichermaßen, um Titanpulver zu knochenähnlichen porösen Implantaten, wie auch zu kompakten Bauteilen mit exzellenten mechanischen Eigenschaften zu verarbeiten. Diese sind auch für die Flugzeug- und Autoindustrie sehr interessant. „Titan ist ein sehr attraktives Material für diesen Sektor. Es ist so fest wie Stahl, aber nur halb so schwer und rostet nicht. Das Problem sind die relativ hohen Kosten für Rohmaterial und Verarbeitung und genau hier sehen wir die große Chance der Pulvertechnologien“, unterstreicht Ebel.

Die MIM-Technik, aber auch den 3-D Druck halten die Materialwissenschaftler für besonders aussichtsreich in der Flugzeugbranche. Denn auf diese Weise könnten mehr Titanbauteile beim Flugzeugbau verwendet werden, die im Vergleich zu Aluminiumteilen stabiler sind und kein Korrosionsproblem im Kontakt mit den heute verwendeten kohlefaserverstärkten Kunststoffen (CFK) verursachen. Grundsätzlich also ideale Materialbedingungen, wenn der Rohstoff und die aus Titanblöcken gefertigte Bauteile nicht so teuer wären.

„Gewichtseinsparung bei Flugzeugen ist das zentrale Thema der Hersteller. Sie müssen strengere Umweltauflagen erfüllen, aber es geht auch um bares Geld: Jedes Kilo, das das Flugzeug weniger wiegt, können sie gewinnbringend in den Transport von Passagieren und Fracht einsetzen. Da redet man durchaus über Hunderte von Euro pro eingespartes Kilogramm Flugzeuggewicht“, sagt Pyczak. Anders sei es in der Automobilindustrie, wo die Verbraucher höhere Preise kaum tolerierten und deshalb die Fertigung nicht teurer werden darf. Ein Grund für die Materialwissenschaftler, an den pulverbasierten Herstellungsverfahren und Legierungen weiter zu arbeiten und durch geringere Kosten und verbesserte mechanische Eigenschaften den Weg zu weiteren Anwendungsfeldern zu bahnen. So sind auch neue kostengünstige Pulverherstellungsverfahren und Optimierung der Eigenschaften von pulvergefertigten Komponenten weitere Tagungsschwerpunkte.

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