Additive Fertigung von Wolfram (Tungsten)
Röntgen-Kollimatoren drucken: Der Kampf gegen die Sprödigkeit des hitzebeständigsten Metalls.
1. Einleitung: Das sturste Metall der Erde
Wolfram (Tungsten) ist ein Metall der Superlative. Es hat den höchsten Schmelzpunkt aller reinen Metalle (3.422 °C), ist extrem dicht (fast so dicht wie Gold) und absorbiert radioaktive Strahlung hervorragend. Es ist das Traummaterial für Röntgenröhren, Strahlenschutz und Hochtemperaturofen.
Gleichzeitig ist es der absolute Albtraum für Ingenieure: Es ist bei Raumtemperatur so extrem spröde und hart, dass man es konventionell (Drehen, Fräsen) kaum in komplexe Formen bringen kann. Mit dem 3D-Druck (PBF-LB) versucht die Industrie nun, dieses sture Metall in Form zu zwingen.
Warum schmilzt der Drucker nicht selbst?
Ein Faserlaser im PBF-Drucker hat genug Energie (durch den extrem fokussierten Spot von z. B. 50 µm), um lokal über 3.500 °C zu erreichen und das Wolframkorn punktuell zu schmelzen. Die umgebenden Titan- oder Aluminiumbauteile in der Kammer bleiben kühl, da die Hitze blitzschnell ins umgebende Pulverbett abfließt.
2. Die Mikroriss-Epidemie
Das größte Hindernis beim Schmelzen von Wolframpulver (PBF-LB) ist der extreme Temperatur-Schock. Wolfram hat eine sehr hohe Duktil-Spröd-Übergangstemperatur (DBTT), die bei reinem Wolfram oft zwischen 200 und 400 °C liegt.
Wenn das 3.500 °C heiße Schmelzbad im Millisekundenbereich abkühlt, reißt das Material unweigerlich mikroskopisch ein. Nahezu jedes lasergedruckte Bauteil aus reinem Wolfram gleicht unter dem Mikroskop einer rissigen Eisdecke (Micro-Cracking). Für strukturell tragende Teile ist reines PBF-Wolfram daher momentan oft ungeeignet.
3. Kollimatoren: Wenn Risse egal sind
Zum Glück stören Risse nicht jeden Anwendungsfall. In der Medizintechnik (Computertomographen) und Nukleartechnik nutzt man hochkomplexe Wolfram-Strukturen, um Röntgen- oder Gammastrahlung zu bündeln und abzuschirmen: sogenannte Antistreustrahlengitter (Kollimatoren).
Kollimatoren bestehen aus extrem dünnen Wänden und komplexen Wabenstrukturen. Sie müssen kein Gewicht tragen, sie müssen nur massiv und dicht sein. Der 3D-Druck ermöglicht es erstmals, Bienenwaben-Kollimatoren aus Wolfram herzustellen, die auf den Mikrometer genau Strahlung filtern. Die unvermeidbaren Mikrorisse stören den Strahlenschutz nicht im Geringsten.
4. Lösungsansätze: Wolfram-Schwerlegierungen und Binder Jetting
Um die Sprödigkeit von reinem Wolfram im Laserschmelzen in den Griff zu bekommen, verfolgt die Industrie alternative Routen:
- Wolfram-Schwerlegierungen (WHA): Man mischt Wolfram mit Nickel, Eisen oder Kupfer (z. B. W-Ni-Fe). Die Zugabe dieser weicheren Metalle ("Binder-Metalle") senkt die Rissneigung drastisch ab und macht das Material verarbeitbar.
- Binder Jetting: Da Laserhitze Wolfram zerstört, druckt man das Wolframpulver kalt (mit einem Kleber per Inkjet-Kopf). Das "Grünteil" wird danach im Ofen langsam bei extrem hohen Temperaturen gesintert (oft mit Infiltration von Bronze oder Kupfer). Dies ist der aktuell vielversprechendste Weg für dichte, komplexe Wolframbauteile.
5. Fazit: Ein Kampf gegen die Physik
Die Additive Fertigung von reinem Wolfram bleibt eine der größten Herausforderungen der modernen Metallurgie. Doch für hochspezialisierte Strahlenschutzelemente und Kernfusions-Komponenten (Tungsten Divertors), die anderweitig unmöglich herzustellen sind, ist der 3D-Druck (insbesondere über den Umweg des Binder Jettings) der einzige Weg in die Zukunft.