Ingenieure entwickeln hochfeste, verformbare Aluminiumlegierungen für fortschrittlichen 3D-Druck an der Purdue-Universität

BerlinForscher der Purdue University haben eine innovative Methode entwickelt, um sehr starke Aluminiumlegierungen für den 3D-Druck herzustellen. Das Team um Haiyan Wang und Xinghang Zhang, unterstützt vom Doktoranden Anyu Shang, hat Aluminium mit Metallen wie Kobalt, Eisen, Nickel und Titan kombiniert, um neue, robuste Strukturen im Mikromaßstab zu schaffen.

Wang und Zhangs Team beantragte ein Patent und veröffentlichte ihre Forschung in Nature Communications. Ihre Arbeit wurde von der National Science Foundation und dem U.S. Office of Naval Research finanziert.

Die Hauptvorteile dieser neuen Methode sind:

• Höherfeste Aluminiumlegierungen mit einer Festigkeit von über 900 MPa.
• Hohe plastische Verformbarkeit, deutlich besser als herkömmliche Legierungen.
• Keine Heißrissebildung bei der 3D-Drucktechnik.

Aluminiumlegierungen mit hoher Festigkeit neigen bei der additiven Fertigung oft zu Rissen. Laut Shang können diese Risse das Material im Laufe der Zeit schwächen. Traditionelle Methoden fügen Partikel hinzu, um das Auftreten von Rissen zu verhindern, aber dies führt nur zu Festigkeiten von 300 bis 500 MPa. Zum Vergleich: Stahl weist in der Regel Festigkeiten zwischen 600 und 1.000 MPa auf, was den Bedarf an stärkeren Aluminiumlegierungen verdeutlicht.

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Purdues Methode zeichnet sich dadurch aus, dass sie Metalle verwendet, die normalerweise nicht in Aluminiumlegierungen zu finden sind. Die Forscher erzeugen winzige Metallstrukturen, die verhindern, dass das Material spröde wird. Diese kleinen Strukturen machen das Material stärker und flexibler. Eine entscheidende Innovation ist der Einsatz eines Lasers im 3D-Druck, um die Materialien schnell zu erhitzen und abzukühlen, wodurch diese robusten Mini-Strukturen entstehen.

Wang erläuterte, dass die neuen Legierungen aus einer Mischung von winzigen harten Partikeln und größeren Aluminiumkörnern bestehen. Diese Kombination erzeugt Spannungen, die das Metall beim Bearbeiten härter machen. Das Team testete dies und stellte fest, dass die neuen Aluminiumlegierungen sehr robust sind und sich biegen lassen, ohne leicht zu brechen.

Shang berichtete, dass die Legierungen in diesen Tests eine Festigkeit von über 900 MPa zeigten, wobei einige Bereiche Spannungswerte von über 1 GPa aufwiesen. Nach der Verformung offenbarten Analysen komplexe Versetzungsstrukturen und Stapelfehler in den Intermetalliken.

Diese neue Entwicklung stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Materialwissenschaft dar, insbesondere für die Luft- und Raumfahrt sowie die Automobilindustrie. Verbesserte Aluminiumlegierungen könnten leichtere und stärkere Bauteile ermöglichen, wodurch Fahrzeuge und Flugzeuge leistungsfähiger und sicherer werden. Sollte diese neue Methode zum Einsatz kommen, könnte sie einen höheren Standard für starke und flexible Aluminiumlegierungen im 3D-Druck setzen. Es gibt zahlreiche potenzielle Anwendungen, die eine vielversprechende Zukunft für diese Materialien in vielen wichtigen Bereichen versprechen.