3-D-Druckverfahren ermöglichen keramisches Laserdrucken: Forscher vom Paul Scherrer Institut nehmen den Herstellungsprozess in 3-D-Tomogrammen auf

• 3-D-Druckverfahren werden bereits für verschiedene Objekte genutzt.
• Das Drucken von Keramik mit einem Laser ist jedoch schwierig.
• Forschende am Paul Scherrer Institut haben den Herstellungsprozess in Tomogrammen aufgezeichnet.

Bereits heute werden viele Objekte mit 3-D-Druckverfahren hergestellt. Diese additive Fertigungstechnik hat beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt, in der Autoindustrie, aber auch in der Medizin Einzug gehalten. Für Metalle und Kunststoffe wird dabei oft ein Verfahren verwendet, das Laser-Pulverbettfusion, kurz LPBF, genannt wird. Dabei wird das Material als feines Pulver auf eine Bauplatte aufgetragen, der Laserstrahl fährt über das Pulver, schmilzt es und bringt es so in die gewünschte Form. Es folgt die nächste dünne Pulverschicht, die der Laser wiederum schmilzt. So wächst das Bauteil Schicht für Schicht. Was während der Laser-Pulverbettfusion genau geschieht, wurde bereits mithilfe von Röntgenstrahlung an der Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS des PSI und an anderen Instituten untersucht, doch diese mikroskopischen Einblicke lieferten bisher nur zweidimensionale Bilder. "Wir wollten einen Schritt weiter gehen und den Herstellungsprozess in 3-D verfolgen", sagt Malgorzata Makowska, Materialwissenschaftlerin am PSI. Statt der zweidimensionalen Röntgenaufnahmen wollten die Forschenden dreidimensionale Tomogramme herstellen, und zwar mit einer Geschwindigkeit, die es erlaubt, mit dem Laserstrahl Schritt zu halten. Doch dazu mussten sie ihre Probe während der Fertigung rotieren und mit dem Laser dieser schnellen Drehbewegung folgen - eine grosse Herausforderung. Dies gelang dem Team nun erstmals, wie es in der Fachzeitschrift Communications Materials berichtet wird.

Für ihre Experimente benutzten die Forschenden Aluminiumoxid. Dieser keramische Werkstoff wird vielfältig eingesetzt, zum Beispiel in der chemischen Industrie für Bauteile, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind, in der Elektrotechnik als Isolator oder in der Medizin für Implantate. Weil dieses Material jedoch sehr hart und brüchig ist, bereitet die Herstellung komplexer Formen mit konventioneller Technik grosse Schwierigkeiten. "Wenn man solche Bauteile drucken könnte, wäre dies viel einfacher", sagt PSI-Physiker Steven Van Petegem: "Allerdings ist es heute noch sehr schwierig, beim Drucken von Aluminiumoxid ein völlig dichtes Material und die gewünschte Mikrostruktur zu erhalten." Die Experimente an der SLS-Tomografiestrahllinie TOMCAT lieferten nun neue Einblicke in den zukunftsträchtigen Herstellungsprozess. Dabei rotierte die untersuchte Probe mit einer Geschwindigkeit von 50 Hertz (3000 Umdrehungen pro Minute), während der Laser über das Pulver fuhr. Die Anpassung des Druckprozesses an diese extrem schnelle Drehung war eine der grossen Schwierigkeiten, welche die Forschenden jetzt meisterten. Sie erreichten dies, indem sie verhinderten, dass das rotierende Material aufgrund der Zentrifugalkräfte auseinanderdriftet. Ein Magnet fixierte das Aluminiumoxid-Pulver, dem ein geringer Anteil von magnetischem Eisenoxid zugefügt worden war. Der Magnet steckte unterhalb der Probe in einem kleinen Versuchszylinder mit drei Millimeter Durchmesser. "Dank der schnellen GigaFRoST-Kamera, einer Eigenentwicklung des PSI, und einem hoch effizienten Mikroskop konnten während des Druckvorgangs hundert 3-D-Bilder pro Sekunde aufgenommen werden", erklärt die Strahllinien-Wissenschaftlerin Federica Marone. Diese Bilder zeigten, was mit dem Pulver während der Laserbehandlung geschah. "Zum ersten Mal sahen wir direkt das geschmolzene Volumen in 3-D", sagt Makowska. Die Form dieses sogenannten Schmelzb

(Quelle:Paul Scherrer Institut Bearbeitet mit ChatGPT)

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