Additive Fertigung von metallischen Gläsern (Amorphe Metalle)
Hochelastisch, extrem hart und korrosionsbeständig: Bulk Metallic Glasses (BMGs).
1. Einleitung: Wenn Metalle erstarren wie Glas
Normale Metalle besitzen eine kristalline Gitterstruktur, die sich beim Abkühlen aus der Schmelze bildet. Wenn man jedoch spezielle Legierungen (z.B. auf Zirkonium- oder Titanbasis) extrem schnell abkühlt (bis zu 1.000.000 °C pro Sekunde), "gefriert" die chaotische, flüssige Atomanordnung, bevor sich Kristalle bilden können. Das Ergebnis ist ein "metallisches Glas" (Amorphes Metall oder Bulk Metallic Glass - BMG).
Da der 3D-Druck genau diese extremen Abkühlraten im Mikrobereich bietet, gilt er als die Schlüsseltechnologie zur Verarbeitung dieser Wundermaterialien.
Die Eigenschaften amorpher Metalle
Durch das Fehlen von Korngrenzen und Gitterfehlern (Dislokationen) sind amorphe Metalle extrem hart (oft doppelt so fest wie hochfester Titan), hochelastisch (sie federn fast ohne Energieverlust zurück) und extrem korrosionsbeständig. Sie verhalten sich mechanisch wie Kunststoff, sind aber so fest wie bester Stahl.
2. Die Herausforderung der Kritischen Abkühlrate
Konventionell können amorphe Metalle nur als hauchdünne Bänder oder sehr kleine Bauteile (wenige Millimeter dick) gegossen werden. Kühlt das Material im Kern zu langsam ab, kristallisiert es und verliert seine einzigartigen Eigenschaften (es wird extrem spröde).
Im Pulverbett-3D-Druck (PBF) wird jedoch immer nur eine winzige Menge Pulver (eine 30 µm dünne Schicht) durch den Laser geschmolzen und sofort durch die massive kalte Bauplatte bzw. die darunter liegenden Schichten "abgeschreckt" (Quenching). Dadurch lassen sich erstmals makroskopische, große Bauteile aus amorphen Metallen herstellen.
3. Laser Powder Bed Fusion (PBF-LB) von BMGs
Das Drucken von metallischen Gläsern ist eine Wissenschaft für sich:
- Wärmeeinflusszone: Jede neue geschmolzene Schicht erhitzt die bereits darunterliegenden, amorphen Schichten erneut. Wird dabei die "Glasübergangstemperatur" zu lange überschritten, kristallisiert das Material nachträglich (Re-Kristallisation). Die Laserparameter müssen extrem eng geführt werden.
- Porosität vs. Kristallisation: Zu wenig Laserenergie führt zu Poren (schlechte Verschmelzung). Zu viel Energie führt zu Hitzestau und Kristallisation. Das Prozessfenster ist minimal.
4. Revolutionäre Anwendungsfelder
Dort, wo extreme Verschleißfestigkeit, Elastizität und Biokompatibilität aufeinandertreffen, glänzen amorphe Metalle aus dem 3D-Drucker.
- Medizintechnik: Skalpelle, die nie stumpf werden, oder hochelastische Implantate und Stents, die sich perfekt an die Körperbewegungen anpassen und nicht ermüden.
- Robotik und Getriebe: Zahnräder aus amorphen Metallen (z.B. in der Raumfahrt oder in Exoskeletten) benötigen kein Schmiermittel mehr, da sie einen extrem niedrigen Reibungskoeffizienten aufweisen und nicht verschleißen (Festkörperschmierung).
- Lifestyle und Sensorik: Gehäuse für Smartphones, Sensoren oder Luxusuhren, die extrem kratzfest sind und bei Stürzen nicht verbeulen, sondern die Energie elastisch abfedern.
5. Fazit: Ein neues Zeitalter der Materialwissenschaft
Die Kombination von additiver Fertigung und amorphen Metallen hebt die Limitierungen beider Technologien auf. Während sich die Pulverherstellung (meist teure Zirkonium-Kupfer-Aluminium-Legierungen) noch verbilligen muss, steht die Tür zu einer völlig neuen Klasse von mechanischen Hochleistungsbauteilen durch den 3D-Druck bereits weit offen.