«Skoltech» passt 3D-Druck für Aluminiumbronze im selektiven Laserschmelzen an

Forschungsteam und Zielmaterial: Aluminiumbronze aus dem 3D-Druck

Eine Forschungsgruppe von «Skoltech» zusammen mit weiteren wissenschaftlichen Institutionen aus Russland und Indien hat eine 3D-Druck-Technologie so angepasst, dass sich Bauteile aus Aluminiumbronze herstellen lassen. Das Material gilt als besonders interessant für Komponenten, die starker Wärmeeinwirkung ausgesetzt sind – etwa Wärmetauscher oder Gehäuse für Leistungselektronik. Darüber informierte die Pressestelle von «Skoltech».

Warum die additive Fertigung von Aluminiumbronze schwierig ist

Aluminiumbronze kombiniert eine hohe Wärmeleitfähigkeit mit einer grundsätzlich guten Verarbeitbarkeit in der additiven Fertigung. In der Praxis wird der Druck jedoch durch zwei Eigenschaften erschwert: die starke Reflexion des Laserlichts und die sehr schnelle Wärmeabfuhr. Das führt bei der Herstellung zu typischen Defekten, darunter Poren durch unvollständiges Verschmelzen sowie Porosität vom Schluesselloch-Typ.

Prozessfenster beim selektiven Laserschmelzen: Energiedichte, Laserleistung und Scangeschwindigkeit

Um die Prozessbedingungen zu untersuchen, variierten die Forschenden die Energiedichte, indem sie Laserleistung und Scangeschwindigkeit veränderten. Dabei zeigte sich ein klarer Trend: Bei niedriger Energiedichte traten vor allem Poren infolge fehlender Verschmelzung auf, bei hoher Energiedichte dominierten Poren vom Schluesselloch-Typ. Unabhängig vom jeweiligen Regime lag die Gesamtporosität in allen Fällen bei rund 5%.

Mechanische Kennwerte trotz Restporosität

Obwohl eine Restporosität vorhanden blieb, erreichten die hergestellten Proben mechanische Werte, die über jenen von gegossener Aluminiumbronze lagen. Die Zugfestigkeit betrug bis zu 748 MPa, die Bruchdehnung lag bei bis zu 16,2%.

Phasenzusammensetzung und Einfluss der Energiedichte

Ein eigener Schwerpunkt lag auf der Veränderung der Phasenzusammensetzung. Während der extrem schnellen Kristallisation wurden Phasen festgestellt, die für die Gleichgewichtsstruktur von Aluminiumbronze untypisch sind. Mit steigender Energiedichte nimmt der Anteil jener Phase ab, die den wichtigsten Beitrag zu Haerte und Festigkeit liefert, gleichzeitig aber die elektrische Leitfähigkeit und die Wärmeleitfähigkeit verschlechtert.

Wärmeleitfähigkeit und Zusammenhang mit Versetzungsdichte

Messungen der Wärmeleitfähigkeit ergaben, dass Proben aus einem Prozess mit hoher Energiedichte bei Raumtemperatur eine Wärmeleitfähigkeit von 47 W/(m·K) erreichen. Das liegt nahe an den Werten des gegossenen Materials, jedoch bei deutlich höherer Festigkeit. Damit wird die Fertigung komplex geformter Komponenten mittels selektivem Laserschmelzen möglich, deren Festigkeit und Wärmeleitfähigkeit mit klassischen Gussteilen mithalten und in einzelnen Eigenschaften darüber hinausgehen.

Zudem wurde in der Arbeit eine direkte Korrelation zwischen Versetzungsdichte, Wärmeleitfähigkeit und elektrischer Leitfähigkeit nachgewiesen, wodurch sich Materialeigenschaften bereits bei der Auswahl der Druckparameter besser vorhersagen lassen.