Das MIT definiert die Grenzen des 3D-gedruckten Aluminiums neu
Ein Forschungsteam des Massachusetts Institute of Technology hat die Entwicklung einer neuen Aluminiumlegierung angekündigt, die speziell für die Aditivfertigung entwickelt wurde und einen neuen Rekord in der mechanischen Festigkeit aufstellt. Dieses Material, das Ergebnis jahrelanger Forschung in der Materialwissenschaft ist, löst eines der größten Herausforderungen des 3D-Drucks mit Metallen: das Auftreten von Mikrorissen während des Erstarrungsprozesses. Die Legierung ist nicht nur defektfrei druckbar, sondern weist mechanische Eigenschaften auf, die die des traditionellen Aluminiums übertreffen und sogar mit einigen Stählen konkurrieren, was neue Möglichkeiten in Sektoren eröffnet, in denen das Verhältnis von Gewicht zu Festigkeit entscheidend ist. ✈️
Die Wissenschaft hinter der risssicheren Festigkeit
Was diese Legierung außergewöhnlich macht, ist nicht nur ihre chemische Zusammensetzung, sondern das tiefe Verständnis der Thermodynamik der schnellen Erstarrung, die den 3D-Druck mit Metallen charakterisiert. Die Forscher des MIT haben das Problem der Mikrorisse – häufig bei hochfesten Aluminiumlegierungen wie den Serien 2000 und 7000 – durch die Zugabe spezifischer Legierungselemente angegangen, die das Erstarrungsmuster modifizieren. Diese Elemente wirken als Mikrostrukturmmodifikatoren und fördern die Bildung equiaxer Körner statt kolumnarer, was die Schwachstellen eliminiert, an denen typischerweise Risse entstehen.
Technische Eigenschaften und Vorteile
Diese Legierung stellt einen bedeutenden Fortschritt dar, da sie die Druckbarkeit konventioneller Legierungen wie AlSi10Mg mit den mechanischen Eigenschaften hochfester Legierungen kombiniert, die bisher nicht zuverlässig durch Aditivfertigung verarbeitet werden konnten.
Außergewöhnliche mechanische Eigenschaften
Die durchgeführten Tests zeigen eine Zugfestigkeit von über 550 MPa in Kombination mit einer Dehnung von 12-15 %, außergewöhnliche Werte für 3D-gedrucktes Aluminium. Die Ermüdungsfestigkeit und die Bruchzähigkeit zeigen ebenfalls signifikante Verbesserungen im Vergleich zu aktuellen kommerziellen Legierungen. Diese Eigenschaften bleiben auch bei vertikalen Druckorientierungen erhalten, die traditionell aufgrund der Anisotropie in 3D-gedruckten Teilen problematisch sind.
Schlüssigeigenschaften der Legierung:- Zugfestigkeit: >550 MPa
- Streckgrenze: >450 MPa
- Dehnung: 12-15%
- Dichte: 2.7 g/cm³ (typisch für Aluminium)
Kompatibilität mit bestehenden Prozessen
Die Legierung ist so konzipiert, dass sie in kommerziellen Metall-3D-Druckern verarbeitet werden kann, die SLM- (Selective Laser Melting) oder DMLS-Technologie (Direct Metal Laser Sintering) nutzen, ohne wesentliche Hardware-Änderungen zu erfordern. Die optimierten Druckparameter – Laserleistung, Scangeschwindigkeit, Füllmuster – wurden vom Team entwickelt und validiert, was die potenzielle industrielle Adoption beschleunigt. Die Legierung reagiert auch gut auf nach dem Druck erfolgende Wärmebehandlungen, die es ermöglichen, die Eigenschaften an spezifische Anwendungen anzupassen.
Diese Legierung druckt nicht nur besser, sondern definiert neu, was mit Aluminium gestaltet werden kann.
Anwendungen in der Luftfahrt und Automobilindustrie
Der Luftfahrtsektor könnte enorm profitieren, wo jedes reduzierte Kilogramm zu signifikanten Einsparungen an Treibstoff führt. Strukturkomponenten, Motorhalterungen und komplexe Brackets könnten neu gestaltet werden, um Gewicht zu optimieren, ohne die Sicherheit zu gefährden. In der Automobilindustrie würde die Legierung die Herstellung leichterer Chassis- und Antriebsstrangkomponenten ermöglichen und so zur Energieeffizienz konventioneller und elektrischer Fahrzeuge beitragen. Die Fähigkeit, komplexe interne Geometrien und integrierte Strukturen zu erzeugen, würde auch die Anzahl der Komponenten und Montagen reduzieren.
Potenzielle Anwendungen:- strukturelle Luftfahrtkomponenten
- Chassiselemente der Automobilindustrie
- Industrietools und -vorrichtungen
- personalisierte medizinische Geräte
Auswirkungen auf die metallische Aditivfertigung
Diese Entwicklung könnte die Adoption des Metall-3D-Drucks über das Prototyping hinaus hin zur Serienproduktion kritischer Komponenten beschleunigen. Die Kombination aus freiem Design ohne Einschränkungen mit hochleistungsfähigen mechanischen Eigenschaften schafft ein überzeugendes Argument, um zu überdenken, wie Teile in hochpreisigen Industrien hergestellt werden. Das MIT-Team arbeitet mit industriellen Partnern zusammen, um die Produktion der Legierung zu skalieren und ihre Leistung unter realen Betriebsbedingungen zu validieren. 🏭
Vorteile gegenüber traditionellen Methoden:- Gewichtsreduktion durch optimiertes Design
- Integration mehrerer Komponenten in eine
- Personalisierung ohne zusätzliche Kosten
- weniger Materialabfall
Am Ende hat das MIT nicht nur ein neues Material geschaffen, sondern eine fundamentale Barriere für die Hochleistungs-Aditivfertigung beseitigt, obwohl es unsere Faden-3D-Drucker wahrscheinlich ein bisschen einfach aussehen lässt im Vergleich. 🔧