Frisch gedruckte Magnete

3D-Druck ist längst eine in Produktionsprozessen vielfältig eingesetzte Technologie – auch Legierungen und Bauteile für Elektronik und Hightech-Anwendungen lassen sich damit herstellen. Forscher am Empa haben dafür wichtige Fortschritte erzielt, indem sie sich einen vermeintlichen Nachteil der 3D-Laserdrucks zu Nutze machten.

Bei der Metallverarbeitung im 3D-Laserdrucker werden innerhalb von Millisekunden Temperaturen von mehr als 2.500 Grad Celsius erreicht, bei denen manche Bestandteile aus den Legierungen verdampfen. Empa-Forscher erkannten in diesem Problem eine Chance – und nutzen nun den Effekt, um während des Druckprozesses neue Legierungen mit unterschiedlichen Eigenschaften zu erzeugen und diese mikrometergenau in 3D-gedruckte metallische Werkstücke einzubetten.

Ein magnetisches Schachbrett

Die Innovation ist mit bloßem Auge kaum richtig einzuschätzen: ein kleines metallisches Schachbrett mit vier Millimetern Kantenlänge. Auf den ersten Blick glänzt es wie polierter Stahl; auf den zweiten Blick sind minimale Farbunterschiede erkennbar: 16 Flächen hat das winzige Schachbrett, acht erscheinen etwas dunkler, acht heller.

Die unscheinbare Materialprobe beweist: 3D-Druck mit Hilfe von Laserstrahlen und Metallpulver eignet sich nicht nur dazu, neue geometrische Formen zu erschaffen, sondern es lassen sich so auch neue Materialien mit völlig neuen Funktionalitäten herstellen. Das kleine Schachbrett ist ein besonders augenscheinliches Beispiel: Acht Flächen sind magnetisch, acht unmagnetisch – dabei ist das gesamte Werkstück aus einer einzigen Sorte Metallpulver 3D-gedruckt worden. Nur Stärke und Dauer des eingestrahlten Laserlichts wurden variiert.

Sensibler Edelstahl

Als Ausgangsbasis nutzte ein Empa-Team um Ariyan Arabi-Hashemi und Christian Leinenbach eine besondere Sorte Edelstahl, die vor rund 20 Jahren unter anderem von der Firma Hempel Special Metals in Dübendorf entwickelt wurde. Der sogenannte P2000-Stahl enthält kein Nickel, sondern rund ein Prozent Stickstoff. P2000-Stahl verursacht keine Allergien und ist für medizinische Zwecke gut geeignet. Er ist besonders hart, was die herkömmliche Bearbeitung mittels Fräsen erschwert.

Leider scheint er auch als Basismaterial für den 3D-Laserdruck auf den ersten Blick ungeeignet zu sein: In der Schmelzzone des Laserstrahls wird es schnell sehr heiß. Deshalb verdampft normalerweise ein großer Teil des enthaltenen Stickstoffs, und der P2000-Stahl verändert seine Eigenschaften. Arabi-Hashemi und Leinenbach gelang es, diesen Nachteil in einen Vorteil zu verwandeln.

Beim Schmelzen modifiziert

Sie modifizierten die Scangeschwindigkeit des Lasers und die Intensität des Laserlichts, das im Metall- Pulverbett die einzelnen Partikel aufschmilzt, und variierten somit gezielt die Größe und Lebensdauer des flüssigen Schmelzpools. Dieser war im kleinsten Fall 200 Mikrometer im Durchmesser und 50 Mikrometer tief, im größten Fall 350 Mikrometer breit und 200 Mikrometer tief.

Der große Schmelzpool lässt viel Stickstoff aus der Legierung verdampfen, dadurch kristallisiert der erstarrende Stahl mit einem hohen Anteil an magnetisierbarem Ferrit – das resultierende Material ist magnetisch. Beim kleinsten Schmelzpool erstarrt die Schmelze dagegen deutlich schneller und der Stickstoff verbleibt in der Legierung. Der Stahl kristallisiert dann vor allem in Form von nichtmagnetischem Austenit.

Im Rahmen des Experiments mussten die Forscher den Stickstoffgehalt in winzigen, millimetergroßen Metallproben sehr präzise bestimmen und die lokale Magnetisierung auf wenige Mikrometer genau messen, ebenso das Volumenverhältnis von austenitischem und ferritischem Stahl. Hierfür kamen eine Reihe hochentwickelter Analysemethoden zum Einsatz, die an der Empa zur Verfügung stehen.