Amorphe Metalle additiv verarbeiten

Bulk Metallic Glasses (BMG) sind metallische Legierungen, die nicht kristallin, sondern amorph erstarren. Durch das Fehlen von Korngrenzen weisen sie eine hohe Härte und gleichzeitig eine höhere Elastizität auf, was sie für viele Anwendungen zu hervorragenden Werkstoffen macht. Im Projekt AmorFeTa wird am ifw Jena untersucht, wie sich diese amorphen Metalle mittels pulverbettbasierter Fertigung verarbeiten lassen.

Ziel des Projekts ist es, Bulk Metallic Glasses additiv im PBF-LB-Verfahren zu verarbeiten. So werden hoch belastbare und gleichzeitig elastische Leichtbau-Bauteile möglich. Damit können beispielsweise additiv gefertigte Festkörpergelenke oder Wasserstofftanks für die Luft- und Raumfahrt gefertigt werden.

Für die Ermittlung optimaler Verarbeitungsparameter werden am Institut additiv gefertigte Proben aus amorphen Metallen auf ihre Belastbarkeit hin geprüft. Durch die Untersuchungen soll mit dem neuartigen Material die gewichtsspezifische Festigkeit anderer additiv verarbeitbarer Legierungen übertroffen werden. Im Vergleich zum Stand der Technik könnten  damit leichtere Bauteile hergestellt werden.

Bei der Zugprüfung fallen zwei Besonderheit sofort ins Auge: Anders als kristalline Metalle reißen die amorphen Metalle gleichzeitig an zwei Stellen. Die dabei entstehenden Temperaturen sind so hoch, dass Funken auftreten.

Im Projekt wird die Verarbeitung der amorphen Werkstoffe in mehreren Schritten untersucht: Zunächst werden dichte Proben gefertigt und geprüft, um passende Parameter für die additive Fertigung zu finden. Anschließend werden Proben mit ausreichenden mechanischen Kennwerten gefertigt, um die Anforderungen an zukünftige Bauteile zu erfüllen. Schließlich soll mit dem entwickelten Verfahren ein Wasserstofftank für Raumfahrtanwendungen hergestellt werden, der die Potenziale des Materials demonstriert.

Tanks dieser Art werden bisher aus Titanlegierungen gefertigt. Ein Tank aus Bulk Metallic Glass wäre durch seine hohe Festigkeit widerstandsfähiger gegenüber hohem Druck. Durch die Möglichkeit, im PBF-LB-Verfahren dünnwandige Bauteile herzustellen, böte er außerdem mehr Volumen als ein vergleichbarer Tank aus einer Titanlegierung.

Pulverbettbasierte additive Verfahren eignen sich besonders für diese Werkstoffe: Durch die schnelle Abkühlung des Materials nach dem Schmelzen können die amorphen Strukturen leicht erreicht werden. Ebenso können mit dem Verfahren feine Strukturen und dünnwandige Bauteile präzise gefertigt werden. Damit unterstützt das Verfahren die speziellen Eigenschaften amorpher Metalle und nutzt sie für die endgültigen Bauteile und deren Anwendung optimal aus.

Das Projekt wird gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz im Programm INNO-KOM.

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