Skoltech passt 3D-Druck für Aluminiumbronze an

Forschungsteam und Zielsetzung

Ein Forschungsteam vom «Skoltech» gemeinsam mit weiteren wissenschaftlichen Organisationen aus Russland und Indien hat eine 3D-Druck-Technologie so angepasst, dass sich Bauteile aus Aluminiumbronze herstellen lassen. Der Werkstoff gilt als besonders interessant für Komponenten, die starker Wärmebelastung ausgesetzt sind – etwa in Wärmeübertragern oder in Gehäusen für Leistungselektronik. Darüber informierte der Pressedienst von «Skoltech».

Herausforderungen beim 3D-Druck von Aluminiumbronze

Aluminiumbronze vereint eine hohe Wärmeleitfähigkeit mit grundsätzlich guter Verarbeitbarkeit im additiven Fertigungsprozess. In der Praxis wird das Drucken jedoch durch zwei Eigenschaften erschwert: die hohe Reflexion der Strahlung sowie die schnelle Wärmeabfuhr. Dadurch entstehen typische Defekte – Poren durch mangelnde Verschmelzung und Porosität vom «Schlüsselloch»-Typ.

Prozessparameter, Porosität und mechanische Kennwerte

Um den Einfluss der Prozessbedingungen zu untersuchen, variierten die Forschenden die Energiedichte, indem sie Laserleistung und Scangeschwindigkeit anpassten. Dabei zeigte sich: Bei niedriger Energiedichte dominieren Poren infolge unzureichender Verschmelzung, bei hoher Energiedichte treten vor allem Poren vom Schlüsselloch-Typ auf. Der Gesamtanteil der Porosität lag in allen untersuchten Regimen bei rund 5%.

Trotz der verbleibenden Restporosität erreichten die Proben mechanische Eigenschaften, die über jenen von gegossener Aluminiumbronze lagen. Die Zugfestigkeit betrug bis zu 748 MPa, die Bruchdehnung bis zu 16,2%.

Phasenzusammensetzung, Wärmeleitfähigkeit und Vorhersage der Eigenschaften

Ein Schwerpunkt lag auf Veränderungen in der Phasenzusammensetzung. Während der extrem schnellen Kristallisation wurden Phasen festgestellt, die für die Gleichgewichtsstruktur von Aluminiumbronze untypisch sind. Eine höhere Energiedichte reduziert dabei den Anteil jener Phase, die massgeblich zur Härte und Festigkeit beiträgt, jedoch die elektrische Leitfähigkeit und die Wärmeleitfähigkeit negativ beeinflusst.

Messungen der Wärmeleitfähigkeit ergaben, dass Proben, die mit hoher Energiedichte gefertigt wurden, bei Raumtemperatur bis zu 47 W/(m·K) erreichen. Dieser Wert liegt nahe an den Kennzahlen von Gussmaterial, allerdings bei deutlich höherer Festigkeit. Damit wird es möglich, komplex geformte Komponenten mittels selektivem Laser-Schmelzen zu produzieren, die in Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit traditionellen gegossenen Pendants nicht nachstehen und in einzelnen Eigenschaften darüber liegen.

In der Studie wurde zudem eine direkte Korrelation zwischen Versetzungsdichte, Wärmeleitfähigkeit und elektrischer Leitfähigkeit nachgewiesen, was eine Prognose der Materialeigenschaften bereits bei der Auswahl der Druckparameter erlaubt.