Additive Fertigung Energie beim metallischen 3D-Druck sparen

Bauteile aus Metall lassen sich mittels 3D-Druck flexibler designen und verbrauchen weniger Material und Energie als etwa der Guss aus einer Schmelze. Das Projekt „React“ („Resource Efficient Additive manufacturing of martensitic Cr-sTeels“) will diese Einsparpotenziale voll ausschöpfen. Es ist unter Leitung von Prof. Dr. Sebastian Weber, Inhaber des Lehrstuhls Werkstofftechnik der Ruhr-Universität Bochum (RUB), am 14. März 2023 mit einer Kick-off-Veranstaltung aller sechs Partner gestartet. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz fördert es mit 1,7 Millionen Euro.

Additive Fertigung umfasst verschiedene Verfahren. Eines davon ist der pulverbettbasierte 3D-Druck mit Metallpulvern. Dabei wird eine dünne Pulverschicht auf eine Bauplattform gestrichen, und die Pulverpartikel werden dann mit einem Laserstrahl nur dort aufgeschmolzen und so miteinander verbunden, wo das fertige Bauteil entsteht. Schicht für Schicht bildet sich so das Produkt im Pulverbett heraus. Das lose Pulver wird später entfernt, damit nur das Bauteil übrigbleibt.

Rund um diesen Prozess gibt es jedoch noch viel Forschungsbedarf: Wie kann es zum Beispiel gelingen, Pulverpartikel herzustellen, die möglichst alle die optimale Größe für die additive Fertigung haben? „Zu große oder zu kleine Partikel müssen verworfen werden“, sagt Projektleiter Weber. „Daher berechnen wir schon im Vorfeld der Pulverherstellung, wie wir die Ausbeute passender Partikel möglichst optimieren können.“ Eine Pulververdüsungsanlage im Labormaßstab steht für Experimente zur Verfügung.

Verbesserung der Materialeigenschaften

Die Zusammensetzung des Werkstoffs – in diesem Fall Chromstahl – ist ebenfalls Gegenstand der Forschung. „Bewährte Legierungen wurden für andere Anwendungen wie Gussverfahren entwickelt und für die additive Fertigung zweckentfremdet“, erklärt Forschungsgruppenleiter Dr. Jonathan Lentz. „Für additive Herstellungsverfahren muss man die Rezepturen der Legierungen anpassen.“

Die Bochumer Forscher richten ihr Augenmerk vor allem auf das Element Stickstoff als Legierungsbestandteil. Richtig eingesetzt kann es die Druckbarkeit und Lebensdauer von additiv gefertigten Bauteilen erhöhen. „Allerdings muss man Stickstoff während aller Prozessschritte im Blick haben, da er dazu neigt, zu entweichen“, sagt Weber.

Möglichkeiten zum Recycling

Schließlich widmen sich die Projektpartner auch der Frage, wie additiv gefertigte Metallprodukte und übriggebliebene Pulver recycelt oder für den 3D-Druck upcycelt werden können, damit ein geschlossener Kreislauf entsteht. „Eine Voranalyse hat ergeben, dass die neuen Fertigungsstrategien das Potenzial bieten, bis zu 97 Prozent an Energie in den fokussierten Produkten der Projektpartner einzusparen – und das bei schnellerer und günstigerer Fertigung mit besseren Materialeigenschaften“, berichtet Weber.

Durch das Projektkonsortium wird die gesamte Prozesskette von der Entstehung des Stahls bis zur Veredelung des Endprodukts abgebildet. Das ermöglicht es, die Prozesskette ganzheitlich zu betrachten und zu optimieren. Der Lehrstuhl Werkstofftechnik begleitet dabei alle Schritte von der Legierungsentwicklung über die Produktion der Metallpulver, den 3D-Druck und die Wärmebehandlung bis hin zur Charakterisierung der Endprodukte. Besonderer Fokus liegt auf der Bilanzierung der Energieeffizienz entlang der Prozesskette.