Neue Titanlegierung macht 3D-Druck robuster und günstiger

Ingenieure des Royal Melbourne Institute of Technology (RMIT) haben ein neues Herstellungsverfahren für 3D-gedrucktes Titan vorgestellt. Das überarbeitete Design ersetzt teure Materialien, erhöht die Haltbarkeit und reduziert Produktionskosten und -zeit. Erfahren Sie, wie diese verbesserte Titanlegierung das Potenzial hat, verschiedene Branchen zu revolutionieren und gleichzeitig innovative neue Verbundwerkstoffdesigns zu inspirieren.

3D-gedruckte Titanlegierungen

Die Möglichkeit, Titanlegierungen im 3D-Druck herzustellen, besteht erst seit etwa einem Jahrzehnt und entwickelt sich jedes Jahr weiter. Es gibt viele Gründe, warum Wissenschaftler Titanlegierungen weiterhin als ideales 3D-Druckmaterial betrachten. Zum einen bieten sie ein außergewöhnliches Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht. Darüber hinaus ist das Material korrosionsbeständig, was seinen Einsatz in medizinischen und anderen hochtechnologischen, betriebskritischen Geräten begünstigt.

Jüngste Entwicklungen haben das Interesse an 3D-gedruckten Titanlegierungen weiter gesteigert. Die Entwicklung wiederholbarer Titangitterstrukturen hat dazu beigetragen, diese Drucke stabiler zu machen und ihren Einsatz in mehr Anwendungen zu ermöglichen. Die gängigsten Verfahren zum Drucken von Titanlegierungen sind Laser Powder Bed Fusion (LPBF) oder Directed Energy Deposition (DED).

Ti-6Al-4V verstehen: Die Industriestandardlegierung

Es gibt viele Arten von Titanlegierungen, die beliebteste und etablierteste ist jedoch Titan Grad 5 (Ti-6Al-4V). Diese Titanlegierung verleiht Drucken Haltbarkeit, Festigkeit und geringe Dichte. Darüber hinaus ermöglicht ihre Vielseitigkeit den Einsatz in einer Vielzahl von Anwendungen, unter anderem als Schlüsselkomponente in der Luft- und Raumfahrt sowie im Automobilbau.

Probleme beim 3D-Druck von Titanlegierungen

Titan Grade 5 ist zwar beliebt, aber nicht perfekt. Zu seinen Nachteilen gehört ein komplizierter Herstellungsprozess, der zu Oxidation und damit zu Druckfehlern führt. Um dies zu verhindern, dürfen diese Geräte nur in einer Schutzgasumgebung betrieben werden. Jede dieser Anforderungen erhöht die Gesamtkosten des 3D-Drucks von Titan.

Warum die Kontrolle der Mikrostruktur beim Titandruck wichtig ist

Einer der größten limitierenden Faktoren beim heutigen 3D-Druck von Titan ist die Kontrolle der mikrostrukturellen Übergänge, die während des Erstarrungsprozesses auftreten. Dieser sogenannte Übergang von der säulenförmigen zur gleichachsigen Struktur (CET) ist eine kritische Komponente, die für die Herstellung hochwertiger Drucke aus Titanlegierungen beherrscht werden muss.

Bisher war es für Forscher äußerst schwierig, die CET präzise zu kontrollieren. Die Daten zeigen, dass diese Materialien während des Abkühlungsprozesses dazu neigen, säulenförmige Mikrostrukturen zu bilden. Leider zerstören diese Strukturen die Integrität der Drucke, was zu ungleichmäßigen mechanischen Eigenschaften und verringerter Haltbarkeit führt.

Studie zu 3D-gedruckter Titanlegierung

Glücklicherweise könnten diese Probleme der Vergangenheit angehören. Ein Team von Wissenschaftlern des Royal Melbourne Institute of Technology (RMIT) hat gerade herausgefunden, wie sich das volle Potenzial 3D-gedruckter Titanlegierungen ausschöpfen lässt.

Ihr Studium¹"Zusammensetzungskriterien zur Vorhersage von Übergängen von säulenförmigen zu gleichachsigen Strukturen in der additiven Metallfertigung”, veröffentlicht in der Fachzeitschrift Nature Communications, erklärt, wie sie die Entstehung säulenförmiger Mikrostrukturen durch neue Materialmischungen überwinden konnten.

Quelle - RMIT Universität

Um einen Hochleistungsdruck zu erzielen, ersetzte das Team Vanadium durch ein proprietäres Element. Der Wissenschaftler stellte fest, dass Vanadium teuer und aufgrund verschiedener Faktoren schwierig zu verarbeiten ist. Da Vanadium leicht zugänglich sein muss, entschied man sich, es durch leicht verfügbare Alternativen zu ersetzen. So musste Herstellern künftig nicht mehr lange nach den benötigten Materialien für leistungsstarke 3D-Drucke aus Titan suchen.

Lösung der Mikrostruktur-Herausforderung

Eines der Hauptziele der Studie war der Nachweis, dass Ingenieure Titanteile mit gleichachsigen Mikrostrukturen modellieren und 3D-drucken können. Diese Designs bieten wiederholbare und gleiche mechanische Eigenschaften und eignen sich daher ideal für den Einsatz in Präzisionskomponenten.

Schlüsselparameter für die Legierungszusammensetzung

Um ein tieferes Verständnis des gesamten Prozesses zu erlangen, analysierten die Ingenieure die einzelnen Phasen des 3D-Druckverfahrens für Titanlegierungen. Der erste Schritt besteht darin, den Erstarrungsbereich im Ungleichgewicht zu bestimmen. Dieser Bereich ist ideal, um gleichmäßige und glatte Drucke zu gewährleisten.

Der nächste Schritt bestand darin, den Wachstumsbeschränkungsfaktor zu bestimmen. Schließlich stellten die Unterkühlungsparameter den letzten Schritt im Prozess dar. Hierfür berechnete das Team die relevanten Parameter mithilfe von Erstarrungssimulationen. Mithilfe dieser Software konnten sie mehrere Verbundwerkstoffe testen und die Erstarrung überwachen, um die besten Ergebnisse zu ermitteln.

Studientest und Ergebnisse der neuen Titanlegierung

Das Team erstellte und testete seine Legierungsverbundstoffe im Advanced Manufacturing Precinct des RMIT, wo ihnen alles zur Verfügung stand, was sie brauchten, um die Bildung säulenförmiger Mikrostrukturen von der Keimbildung bis zur Fertigstellung zu erzeugen, zu verändern und zu verfolgen.

Das Komposit wurde durch die Mischung von 99 % reinen Elementpulvern und deren Vermischung mit einem TURBULA-Mischer hergestellt. Anschließend wurden die Drucke mit einem TruDisk-Festkörperlaser gehärtet.

Zu den Tests des Teams gehörte auch die Aufnahme mikroskopischer Bilder der Titanlegierungen. So konnten die Ingenieure sicherstellen, dass die Nanostruktur auch lange nach Abschluss des Druckvorgangs intakt blieb.

Durch Experimente konnten die Wissenschaftler die entscheidende Bedeutung bestimmter Legierungen mit gleichmäßiger Kornstruktur ableiten. Die Tests lieferten aufschlussreiche Ergebnisse, die die zukünftige Sichtweise der Wissenschaftler auf 3D-gedruckte Titanlegierungen verändern könnten.

In der Testphase konnten die Ingenieure die Richtigkeit ihrer Simulationen bestätigen. Das Team konnte das Verhalten bestimmter Materialien und Designs im Test präzise vorhersagen. Diese Daten können nun genutzt werden, um den Herstellungsprozess weiter zu verfeinern und künftig noch widerstandsfähigere Verbundwerkstoffe herzustellen.

Mit seinem neuen Ansatz gelang es dem Team, hochwertige und gleichmäßige Narbenabdrücke zu erzeugen. Die Zusammensetzung war stärker und haltbarer als bei früheren Titanlegierungen. Darüber hinaus ermöglichte der neue Ansatz einen leicht wiederholbaren Herstellungsprozess, der gleichmäßige Narbenergebnisse lieferte.

Vorteile der Studie zu 3D-gedruckten Titanlegierungen

Seine Studie bietet zahlreiche Vorteile. Zum einen wird die Arbeit als wegweisend für zukünftige Innovationen im 3D-Druck von Titanlegierungen dienen. Das bessere Verständnis kann als solide Grundlage dienen, mit der Ingenieure die Kornmorphologie von Metalllegierungen in additiven Fertigungsverfahren vorhersagen können.

Wie die neue Titanlegierung einen gleichmäßigen Druck ermöglicht

Einer der Hauptvorteile des neuen Verfahrens ist der gleichmäßige Druck. Die Vermeidung unerwünschter Nanostrukturen führt zu gleichmäßigen Drucken, die im Vergleich zu ihren Vorgängern deutlich mehr Belastungen standhalten. Die Gleichmäßigkeit dieser Drucke ist entscheidend für den Einsatz in hochsensiblen Anwendungen wie Luft- und Raumfahrtkomponenten.

Verbesserte Zugänglichkeit des Titan-3D-Drucks

Durch den Ersatz von Vanadium macht das Team den 3D-Druck mit Titanlegierungen für mehr Anwender zugänglich. Vanadium ist eine harte, silbrige Substanz, die in der Natur sehr selten vorkommt. Seine Formbarkeit und seine Fähigkeit, gegen Oxidation zu stabilisieren, haben es zu einer beliebten Wahl gemacht. Aufgrund seiner Seltenheit ist es jedoch schwer zu beschaffen und für großflächige Anwendungen ungeeignet.

Ingenieure fanden heraus, dass sich durch den Verzicht auf Vanadium die Herstellungskosten im Vergleich zu herkömmlichen Titanoptionen um 29 % senken ließen. Diese Studie könnte daher in den kommenden Jahren weiteren Herstellern den Weg für den Einsatz dieser bahnbrechenden Technik ebnen.

Anpassbare und effiziente Produktion mit neuer Legierung

Mithilfe der neuen Titanlegierungsverbundwerkstoffe können Ingenieure vollständig anpassbare Komponenten für die Luft- und Raumfahrt sowie für medizinische Anwendungen herstellen. Diese maßgeschneiderte Produktion ist deutlich ressourcenschonender als bisherige Methoden und bietet mehr Flexibilität hinsichtlich Design und Gewichts-Festigkeits-Verhältnis.

Anwendungen aus der realen Welt

Für diese Studie gibt es mehrere praktische Anwendungsmöglichkeiten. Hersteller suchen beispielsweise nach kostengünstigen Lösungen für die Herstellung leistungsstarker Komponenten. Die Bemühungen des Teams werden Titanlegierungsverbundwerkstoffe in verschiedenen Branchen zum Einsatz bringen. Hier sind einige der offensichtlichen zukünftigen Anwendungsgebiete dieser Technologie.

Anwendungen in der Luft- und Raumfahrttechnik

Titanlegierungen sind ein entscheidender Bestandteil der Luft- und Raumfahrttechnik. Bei der Entwicklung von Luft- und Raumfahrtkonstruktionen kann jedes Gramm entscheidend sein. So könnte die Industrie dieses Material nutzen, um wichtige Komponenten wie Raumfahrzeugtriebwerke und Strukturteile leichter und langlebiger zu gestalten.

Medizinische Anwendungen

Die Anwendungsgebiete dieser Legierung im medizinischen Bereich sind vielfältig. Die Implantate zeichnen sich durch eine außergewöhnliche Biokompatibilität aus, d. h. sie können implantiert werden, ohne dass der Körper sie abstößt. Darüber hinaus sind sie hochfest, leicht und korrosionsbeständig. Die verbesserte Titanlegierung könnte daher Implantate, Prothesen, Wearables und die Herstellung anderer lebensrettender biokompatibler Geräte verbessern.

Anwendungen in der Automobilindustrie

Die Automobilindustrie ist stets auf der Suche nach besseren Herstellungsverfahren. Diese Technologie könnte eine entscheidende Rolle bei der Herstellung leichter, leistungsstarker Elektromotorkomponenten und vielem mehr spielen. Die Möglichkeit, diese Teile im 3D-Druckverfahren herzustellen, könnte dazu führen, dass Sie in nicht allzu ferner Zukunft die Pläne für Ihre Ersatzteile per E-Mail erhalten und diese zu Hause ausdrucken können.

Voraussichtlicher Zeitplan und Kommerzialisierung

Der Zeitrahmen für die Anwendung dieser Technologie beträgt etwa fünf bis zehn Jahre. Die Ingenieure müssen noch viele Details ausarbeiten, um das Konzept von einem kleinen Test in die Serienproduktion zu überführen. In naher Zukunft wird sich das Team auf die Suche nach Kooperationspartnern für die Weiterentwicklung der Technologie konzentrieren.

Die Ingenieure arbeiten nun daran, ihr proprietäres Titandruckverfahren auf den Markt zu bringen. Im Rahmen dieser Strategie hat die Gruppe bereits ein vorläufiges Patent angemeldet. Nun werden sie sich um die Suche nach kommerziellen Fertigungspartnern für zukünftige Forschungsarbeiten kümmern und Produktionsanlagen aufbauen.

Forscher untersuchen 3D-gedruckte Titanlegierungen

Die School of Engineering, Centre for Additive Manufacturing, RMIT University, Melbourne, VIC, Australien, war Gastgeber dieser bahnbrechenden Studie. Hauptautor der Arbeit war Ryan Brooke. Beeindruckenderweise hat er erst kürzlich ein Research Translation Fellowship an der Universität angenommen. In der Arbeit werden außerdem Duyao Zhang, Dong Qiu, Mark A. Gibson und Mark Easton als Mitwirkende genannt.

Investitionen in den 3D-Druck von Metall

Die Möglichkeit, Metalle im 3D-Druckverfahren herzustellen, hat neue technologische Fortschritte ermöglicht. Zahlreiche Unternehmen sind in diesem Sektor aktiv und investieren Millionen in Forschung und Entwicklung, um neue und effizientere Druckverfahren zu entwickeln. Hier ist ein Unternehmen, das als Innovator auf dem Markt gilt:

NanoDimension Ltd. (NNDM)

Nano Dimension Ltd (NNDM -5.59 %) kam 2012 auf den Markt. Die Firmengründer Amit Dror, Sharon Fima und Simon Fried gründeten das Unternehmen, um die Prototypenentwicklung von Leiterplatten durch fortschrittliche 3D-Drucklösungen zu verbessern. Ihr Ansatz erwies sich als erfolgreich, und im Jahr 2020 brachte das Unternehmen den ersten Mehrschicht-Leiterplattendrucker auf den Markt.

Nano Dimension Ltd bietet heute eine Vielzahl von Produkten an, die Unternehmen dabei helfen, ihren technologischen Vorsprung im Fertigungsprozess zu sichern. Das DragonFly IV-System verbessert die Druckgeschwindigkeit durch die Tintenstrahlabscheidung leitfähiger und dielektrischer Materialien. Dieser Ansatz ermöglicht schnelleres Prototyping und geringere Kosten.

Die FLIGHT-Software-Suite ist eine weitere beliebte Option, die die Arbeit mit komplexen Strukturen erleichtert. Sie ermöglicht Designern die Erstellung komplexer Designs bei optimiertem Materialeinsatz. In Verbindung mit den angebotenen Mikro-3D-Drucksystemen ermöglicht sie Herstellern die Entwicklung und Überwachung ihrer Drucke auf Mikrometerebene.

Aktuelle Nachrichten und Entwicklungen zur Aktie Nano Dimension Ltd. (NNDM)

Fazit: RMITs Durchbruch bei Titanlegierungen

Die Möglichkeit, Metalle 3D-zu drucken, gilt als großer Fortschritt in der additiven Fertigung. Daher gibt es einen stetigen Zustrom innovativer Metallverbundwerkstoffe, die speziell für optimale Ergebnisse im 3D-Druck entwickelt wurden. Dieses neueste Projekt wird diese Technologie noch weiter vorantreiben und Ingenieuren die Entwicklung fortschrittlicherer Designs für zukünftige Technologien ermöglichen.

Erfahren Sie mehr über andere coole Entwicklungen im Bereich der additiven Fertigung werden auf dieser Seite erläutert.

Zitierte Studien:

^{1. Brooke, R., Zhang, D., Qiu, D. et al. Zusammensetzungskriterien zur Vorhersage von Übergängen von säulenförmigen zu gleichachsigen Strukturen bei der additiven Metallfertigung. Nat Commun 16, 5710 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-60162-0}