Wie Quasikristalle Aluminium von Luft‑ und Raumfahrtqualität, das im 3D‑Druck verwendet wird, verstärken

Von der Theorie zur Praxis

Manchmal wird der Nobelpreis für Forschung vergeben, die für die breite Öffentlichkeit etwas abstrakt sein kann. Das war der Fall beim der Nobelpreis für Chemie 2011, der die Entdeckung der „Quasikristalle“ auszeichnete.

Das liegt daran, dass viele Materialien in der Natur sowie künstliche Materialien in „normalen“ Kristallen angeordnet sind. Sie zeichnen sich durch eine einfache 3‑D‑Struktur auf atomarer Ebene aus, die sich Millionen‑fach bis zur makroskopischen Skala wiederholt. Diese Strukturen verleihen verschiedenen Metallen sowie anderen Materialien, wie dem Silizium in Computerchips und Solarmodulen, ihre Eigenschaften.

Es gibt nur 230 mögliche Arten, wie Atome wiederholende Kristallmuster bilden können, etwas, das zuvor als starre Naturregel galt.

Quelle: Nobelpreis

Es stellte sich jedoch heraus, dass andere Strukturen möglich sind, bei denen einige Grundformen zu regulären molekularen Strukturen zusammengesetzt werden können, ohne ein wiederholendes Muster zu besitzen. Diese Entdeckung wurde von einem Forscher gemacht, der hauptsächlich am National Institute of Standards and Technology (NIST) tätig ist.

Quelle: NIST

Andrew Iams, ein Forscher am NIST, könnte praktische Anwendungen für solche Quasikristalle gefunden haben, da sie beim 3D‑Druck von Aluminium entstehen. Da Aluminium ein sehr nützliches Metall für Luft‑ und Raumfahrtanwendungen ist, aber zudem besonders schwer im 3D‑Druck zu verarbeiten ist, könnte dies einen bedeutenden Durchbruch darstellen.

(Sie können einen Überblick über die 3D‑Druck‑Industrie in unserem Artikel „3D Printing Consolidating Into The Future Of Manufacturing“ lesen.)

Diese Ergebnisse¹, durchgeführt von Forschern des NIST, HRL Laboratories LLC und L.A. Giannuzzi & Associates LLC, wurden im Journal of Alloys and Compounds veröffentlicht, unter dem Titel „Microstructural features and metastable phase formation in a high-strength aluminum alloy fabricated using additive manufacturing“.

Warum sind Kristalle wichtig?

Obwohl eine kristalline Struktur einem Material besondere Eigenschaften verleihen kann, bringt sie auch Schwächen mit sich.

Da die Struktur extrem regelmäßig ist, können die Atome leicht aneinander vorbeigleiten. In großem Maßstab führt dies zu Mikrorissen oder sogar großen Rissen im Material, wodurch es insgesamt schwächer wird, als es theoretisch sein könnte.

Dieses Problem wird beim 3D‑Druck verstärkt, weil das Metall in kleinen Mengen schmilzt und dann vielfach abkühlt. Und sowohl beim 3D‑Druck als auch beim herkömmlichen Schmieden ist Aluminium besonders anfällig für sogenannte Erstarrungsrisse bzw. Heißrisse.

Dies geschieht, wenn das verbleibende flüssige Metall die Schrumpfung des bereits erstarrten Metalls beim Abkühlen nicht ausgleichen kann. Solche Risse beeinträchtigen die strukturelle Integrität der Aluminiumteile und können zu schwächeren Materialien führen, die anfälliger für Versagen sind.

Der Bedarf an besserem 3D‑Druck von Aluminium

Viel extremere Temperaturen

Beim traditionellen Gießen von Aluminium liegen die Temperaturen des flüssigen Metalls zwischen 690 °C und 725 °C (1274 °F – 1337 °F), und die Erstarrungsabkühlraten betragen typischerweise zwischen 0,4 °C/s und 10 °C/s.

Im Gegensatz dazu verwendet die additive Fertigung (3D‑Druck) für Metallmaterialien die Laser‑Pulverbett‑Fusion, bei der Metallpulver aufgetragen und dann von einem Laser geschmolzen wird (dem Link folgen, um das Video zu sehen).

Dies erzeugt Flüssigmetalltemperaturen von über 3000 °C (5430 °F), also über dem Siedepunkt des Metalls, anstatt es nur zu schmelzen, sowie ultra‑schnelle Erstarrungsabkühlraten von über 1 Million °C/s.

Diese höheren Temperaturen und viel schnelleren Abkühlgeschwindigkeiten verstärken das Problem der Erstarrungsrisse.

„Hochfeste Aluminiumlegierungen sind fast unmöglich zu drucken. Sie neigen dazu, Risse zu entwickeln, die sie unbrauchbar machen.“
Fan Zhang – NIST‑Physiker

Die Versprechen von 3D‑gedrucktem Aluminium

Trotz der technischen Schwierigkeiten ist das 3D‑Drucken von Aluminium sehr vielversprechend, da es Formen und Bauteile erzeugen kann, die andere Schmiedeverfahren nicht herstellen können.

Zum Beispiel werden Teile von Raketentriebwerken oder Brennstoffdüsen für Flugzeugtriebwerke inzwischen häufig mit 3D‑Druck hergestellt, wodurch bis zu 20 zu montierende Teile zu einem einzigen Teil zusammengefasst und das Gewicht reduziert werden.

Im Jahr 2017 entdeckte ein Team von HRL Laboratories (die an der hier diskutierten Forschung mitwirkten), dass die Zugabe von Zirkonium zum Aluminium‑Pulver das Auftreten von Rissen in den 3D‑gedruckten Teilen verhinderte, was zu einer starken Legierung führte.

Quelle: Journal of Alloys and Compounds

Allerdings war nicht wirklich verstanden, warum das funktioniert, bis seltsame Strukturen in der atomaren Metallstruktur beobachtet wurden.

„Um diesem neuen Metall genug Vertrauen zu schenken, um es in kritischen Komponenten wie militärischen Flugzeugteilen zu verwenden, benötigen wir ein tiefes Verständnis darüber, wie die Atome zusammenpassen.“
Fan Zhang – NIST‑Physiker

Quasikristalle finden und herstellen

Die Forscher mussten ein Elektronenmikroskop einsetzen, um das Material mit der höchstmöglichen Bildauflösung zu analysieren. Es zeigte, dass die Atome in neuartigen, seltsamen Mustern angeordnet waren, die eine fünf‑, drei‑ und zweifache Rotationssymmetrie aufwiesen und nicht durch die normalerweise in Aluminiumlegierungen vorkommenden Kristalle verursacht werden konnten.

„Da wurde ich richtig begeistert. Denn ich dachte, ich könnte einen Quasikristall sehen.“
Andrew Iams, Materialforschungsingenieur am NIST

Neben den Bereichen mit feinkörniger Aluminium‑Zirkonium‑Legierung beobachteten die Forscher ikosaedrische Quasikristalle in Form eines 20‑seitigen Würfels.

Quelle: Math Stack Exchange

Dies zerstört die normalerweise vorkommende reguläre Kristallstruktur und verringert das Potenzial für Rissbildung. Quasikristalle brechen also das reguläre Muster der Aluminiumkristalle auf, wodurch Defekte entstehen, die das Metall stärker machen.

Quelle: Journal of Alloys and Compounds

Computersimulationen lieferten anschließend Einblicke in die Entstehung der Quasikristalle. Es zeigte sich, dass während des Abkühlprozesses eine sekundäre Phase auftritt, die die Bildung von Quasikristallen begünstigt.

Aus Kernen aus Quasikristallen resultieren Verzweigungen von Quasikristall‑Linienbruchmustern im Metall, wodurch es insgesamt stärker und weniger anfällig für Risse beim Abkühlen oder unter mechanischer Belastung wird.

Quelle: NIST

Zukünftige Entwicklungen

Diese neue Art von 3D‑gedruckter Aluminiumlegierung weist eine Härte auf, die mit der von peak‑gealtertem AA7075 vergleichbar ist, einer etablierten Aluminiumlegierung mit hoher Korrosionsbeständigkeit, die umfangreich in strukturellen Flugzeugteilen verwendet wird.

Erste Tests deuten darauf hin, dass eine Ausscheidungshärtung durch Wärmebehandlung diese Legierung noch härter machen könnte, obwohl dies noch experimentell nachgewiesen werden muss.

Sie schafft zudem ein Rahmenwerk, in dem die Herstellung noch stärkerer Aluminiumlegierungen möglich sein könnte. Da Materialwissenschaftler nun teilweise die Bildung von Quasikristallen während der additiven Fertigung vorhersagen können, könnten sie sich darauf konzentrieren, deren Auftreten zu verbessern, um die mechanische Leistung zu steigern.

In 3D‑Druck investieren

Der 3D‑Druck erreicht erst jetzt die technologische Reife sowie eine Marktkonsolidierung. Das verschafft Investoren etwas mehr Transparenz als früher und bestätigt, dass diese Technologie weit entfernt von einem Trend ist und sich langfristig etabliert.

Sie können in 3D‑Druck‑bezogene Unternehmen über zahlreiche Broker investieren, und auf dieser Website finden Sie unsere Empfehlungen für die besten Broker in den USA, Kanada, Australien, dem Vereinigten Königreich sowie vielen anderen Ländern.

Zusätzlich zu den unten besprochenen Unternehmen finden Sie potenzielle Investitionsideen in unserem Artikel „Top 10 Nanotechnologie‑Aktien“.

Wenn Sie nicht daran interessiert sind, einzelne 3D‑Druck‑Unternehmen auszuwählen, können Sie auch in ETFs wie den ARK Invest 3D Printing ETF (PRNT) investieren, um vom Wachstum des additiven Fertigungssektors insgesamt zu profitieren.

Ein innovatives Beispiel

(Zusätzlich zu den unten besprochenen Unternehmen können Sie in unserem Artikel „Top 10 Additive Manufacturing And 3D Printing Stock to Watch“ weitere lesen.)

Nano Dimension

Die meisten Unternehmen der additiven Fertigung konzentrieren sich auf Metall und Kunststoff und zielen auf komplexe mechanische Bauteile ab. Nano Dimension (NNDM ) hingegen fokussiert sich auf 3D‑gedruckte Elektronik. Dazu gehören sehr spezialisierte Technologien wie leitfähige oder dielektrische Tinten & Keramiken. Diese können beispielsweise zum Bau optischer oder Radio‑Komponenten verwendet werden.

Dies ist eine der möglichen Anwendungen des 3D‑Drucks im Nanomaßstab, die wir weiter in „Nanoscale 3D Printing Looks Primed for Commercialization“ untersucht haben.

Nano Dimension ist durch eine Mischung aus Akquisitionen und interner F&E gewachsen.

Quelle: Nano Dimensions

Diese Strategie erreichte einen neuen Höhepunkt mit der Übernahme von Desktop Metal , die 2024 angekündigt und 2025 abgeschlossen wurde. Zusammen werden die beiden Unternehmen eine deutlich stärkere Position im 3D‑Druck von Metall und Keramik in allen Maßstäben besitzen, von Elektronik bis hin zu großen Industrieanlagen und der Luft‑ und Raumfahrt.

Dies schafft zudem Skaleneffekte, indem die Kundenbasis, zu der SpaceX (SPCX ), Tesla (TSLA ), GE, Honeywell, Emerson, Raytheon, NASA, Medtronics usw. gehören, zusammengeführt wird.

Schließlich waren die beiden Unternehmen hauptsächlich in unterschiedlichen geografischen Regionen aktiv, wobei Nano Dimension in Europa und Desktop Metal in den USA ansässig ist, was durch die Zusammenlegung ihrer Vertriebsteams Synergien ermöglicht.

Quelle: Nano Dimension

Das Unternehmen behauptet, den ökologischen Fußabdruck der Fertigung reduzieren zu können, mit einer Verringerung von 94 % der CO₂‑Emissionen, 100 % im Wasserverbrauch, 98 % bei den Materialien und 82 % bei den Chemikalien. Insgesamt können wir erwarten, dass Nano Dimension zu einem der Technologieführer aufsteigen wird.

Quelle: Nano Dimensions

Die fusionierten Unternehmen sind hervorragend positioniert, um neue Entdeckungen im 3D‑Druck und bei der Herstellung einer stärkeren Aluminiumlegierung zu nutzen, wobei diese Innovationen voraussichtlich den adressierbaren Markt erweitern werden.

Investoren sollten jedoch beachten, dass sowohl Nano Dimension als auch Desktop Metal bei den jeweiligen Übernahmen einen negativen Cash‑Flow aufwiesen, sodass das resultierende Unternehmen künftig Kosten senken oder ausreichend wachsen muss, um profitabel zu werden.

Neueste Entwicklungen bei Nano Dimension

Studienreferenzen:

^{1. Andrew D. Iamset al. (2025). Rapid manufacturing of high-permittivity dielectric elastomer actuator fibers. Journal of Alloys and Compounds. Volume 1025, 25 April 2025, 180281. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.180281}