Neue Titanlegierung macht 3D-Druck stärker und günstiger

Ingenieure der RMIT University in Melbourne untersuchten, wie die Zusammensetzung von Titanlegierungen das Kristallgefüge beim Metall-3D-Druck beeinflusst. In einer im Juli 2025 in Nature Communications veröffentlichten Studie verglichen sie drei Kenngrößen, die den Übergang von säulenförmigen zu gleichmäßiger geformten Körnern vorhersagen sollen. Die Ergebnisse können bei der Entwicklung druckbarer Legierungen helfen. Sie belegen noch keine Zulassung fertiger Flugzeugteile oder medizinischer Implantate.

3D-gedruckte Titanlegierungen

Titan bietet ein hohes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht und ist korrosionsbeständig. Deshalb werden Titanlegierungen unter anderem in der Luft- und Raumfahrt und bei Medizinprodukten verwendet. Beim Metall-3D-Druck entstehen komplexe Formen durch schichtweisen Materialauftrag. Laser Powder Bed Fusion und Directed Energy Deposition sind zwei Verfahren mit unterschiedlichen Möglichkeiten und Grenzen.

Ti-6Al-4V als Referenz

Ti-6Al-4V, auch Titan Grad 5 genannt, ist eine verbreitete Legierung aus Titan, Aluminium und Vanadium. Sie ist ein wichtiger Vergleichsmaßstab. Die Eigenschaften eines gedruckten Bauteils hängen jedoch auch vom Druckprozess, von Poren und von der Nachbearbeitung ab. Die RMIT-Forschenden untersuchten weitere Elementkombinationen. Ihre Ergebnisse bedeuten keine allgemeine Verbesserung sämtlicher gedruckter Titanteile.

Warum die Mikrostruktur wichtig ist

Wenn geschmolzenes Metall beim Druck erstarrt, können lange säulenförmige Körner entstehen. Dadurch können sich die mechanischen Eigenschaften je nach Belastungsrichtung unterscheiden. Eher gleichmäßig geformte, sogenannte äquiaxiale Körner können diese Richtungsabhängigkeit verringern. Die Kornform ist jedoch nur ein Qualitätsmerkmal; Risse, Poren und Oberflächenfehler müssen ebenfalls geprüft werden.

Was wurde untersucht?

Die Forschenden verglichen drei Kenngrößen der Legierungszusammensetzung: das Nichtgleichgewichts-Erstarrungsintervall (ΔT_s), den Wachstumsbeschränkungsfaktor (Q) und den Parameter für konstitutionelle Unterkühlung (P). Damit wollten sie den Übergang von säulenförmigen zu äquiaxialen Körnern vorhersagen. In Versuchen mit Titan-Eisen-, Titan-Kupfer-, Titan-Kupfer-Eisen- und Titan-Molybdän-Legierungen, die mittels laserbasierter Directed Energy Deposition hergestellt wurden, erwies sich P unter den getesteten Bedingungen als zuverlässigste der drei Kenngrößen für die Wahl der Legierungselemente.

Die Studie verband Berechnungen und Experimente und berücksichtigte zudem Ergebnisse anderer Legierungssysteme und Druckverfahren. Sie liefert eine Entwurfsregel für die Mikrostruktur, keine allgemeingültige Garantie für Festigkeit oder Lebensdauer bei jeder Belastung. Die genaue Zusammensetzung und die Druckparameter müssen für jede Anwendung geprüft werden.

Ergebnisse, Kosten und Grenzen

RMIT teilte mit, dass eine der entwickelten Legierungen günstiger verfügbare Elemente statt Vanadium nutzen kann. Die geschätzten Materialkosten sollen rund ein Drittel unter denen einer gebräuchlichen Titanlegierung liegen. Dieser Vergleich bezieht sich auf das Legierungsmaterial. Er belegt keine Senkung der Gesamtkosten eines zertifizierten Bauteils um ein Drittel. Maschinenzeit, Pulver, Energie, Qualitätskontrolle und Nachbearbeitung kosten ebenfalls Geld.

Die geprüften Materialproben zeigten vielversprechende mechanische Eigenschaften. Vor einem Einsatz in sicherheitskritischen Teilen sind aber weitere Untersuchungen unter anderem zu Ermüdung, Korrosion, Schwankungen zwischen Druckläufen und Langzeitverhalten nötig. Ob das Verfahren in verschiedenen Maschinen und Produktionsgrößen gleich günstig und reproduzierbar ist, bleibt zu prüfen.

Mögliche Anwendungen

Luft- und Raumfahrt

Leichte, feste Metallteile sind für Flugzeuge und Raumfahrzeuge interessant. Für konkrete Bauteile müssen Material und Fertigungsprozess jedoch die jeweiligen Belastungs- und Sicherheitsanforderungen erfüllen.

Medizinprodukte

Titan wird für bestimmte Implantate genutzt. Eine neue gedruckte Legierung braucht eigenständige Untersuchungen zur Biokompatibilität, zum Verschleiß und zur langfristigen Sicherheit. Die RMIT-Studie war keine klinische Implantatprüfung.

Automobilbau und weitere Industrie

Metall-3D-Druck kann bei Spezialteilen und kleinen Serien von Vorteil sein, wenn komplexe Formen gefragt sind. Ob die neue Legierung in der Massenproduktion wirtschaftlich ist, hängt von den tatsächlichen Fertigungskosten und Bauteilanforderungen ab.

Kommerzialisierung und Forschungsteam

RMIT berichtete von einer vorläufigen Patentanmeldung und von Interesse an einer Weiterentwicklung. Das ist kein verbindlicher Termin für eine breite kommerzielle Nutzung. Die Studie wurde von Ryan Brooke geleitet; Mitautoren sind Duyao Zhang, Dong Qiu, Mark A. Gibson und Mark Easton.

Investitionen im Bereich Metall-3D-Druck

Nano Dimension Ltd. (NNDM)

Nano Dimension (NNDM ) ist ein börsennotiertes Unternehmen im Bereich additiver Fertigung. An dieser RMIT-Studie war es nicht beteiligt. Die Ergebnisse an Titanlegierungen erlauben keine unmittelbare Prognose für Umsatz oder Aktienkurs des Unternehmens.

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Fazit

Die Studie zeigt eine präzisere Möglichkeit, Elemente für Titanlegierungen auszuwählen, die beim 3D-Druck äquiaxiale Körner bilden sollen. Bis zum industriellen Einsatz müssen fertige Bauteile, Produktionskosten und Sicherheit weiter geprüft werden. Zur Originalstudie.