Wie die Materialwissenschaft die Fertigungszukunft vorantreibt

Die Materialwissenschaft ist eine unverzichtbare branchenübergreifende Disziplin zur Weiterentwicklung von Produktdesign und -herstellung und ein Bereich, der von Innovation und kreativem Denken geprägt ist.

Es konzentriert sich auf das Verhalten von Materialien auf allen Ebenen, einschließlich der Frage, wie Mikrostrukturen und die Anordnung einzelner Atome und Moleküle das Verhalten eines Materials erheblich beeinflussen können – und wie eine Struktur manipuliert werden kann, um die gewünschte Leistung zu beeinflussen.

An der Schnittstelle zwischen Ingenieurwesen, Physik und Chemie gelegen, ist die Materialwissenschaft ein vorrangiger Aspekt bei der Entwicklung neuer Produkte, die häufig zu anspruchsvollen und einzigartigen Eigenschaften führt.

Die Materialwissenschaft befasst sich eingehend mit den Zusammenhängen zwischen physikalischem und chemischem Wissen und der Frage, wie verschiedene Materialien – von Metallen und Polymeren bis hin zu Verbundwerkstoffen und Nanomaterialien – so konstruiert werden können, dass eine bessere Leistung erzielt wird.

Dies kann kommerziell vorteilhafte Vorteile wie effizientere Produktionsprozesse, eine Verlängerung der Lebensdauer eines Teils und eine geringere Wartung bis hin zu grundlegenderen gesellschaftlichen Vorteilen wie verbesserten Gesundheitsergebnissen und größerer Energie- und Umweltverträglichkeit umfassen, um Spitzenleistungen im Sport und in der Luft- und Raumfahrttechnologie zu ermöglichen.

Die Beeinflussung der Mikrostruktur eines Materials kann zu bemerkenswerten Verhaltensweisen führen – einschließlich der Flexibilität eines Materials – also wie weit das Material gedehnt oder gebogen werden kann.

Es kann sich auch auf die Härte eines Materials auswirken, wodurch es korrosionsbeständiger wird, oder auf seine Fähigkeit, Strom oder Wärme zu leiten.

Ein perfektes Beispiel, auf das wir später noch eingehen werden, sind Formgedächtnislegierungen – also Metalle, die durch Wärmeeinwirkung gebogen und in ihre ursprüngliche Form zurückgebracht werden können.

Früher dachte man, dass die additive Fertigung hauptsächlich für den Prototypenbau gedacht sei, wird sie aber zunehmend bei der Entwicklung von Ersatzteilen, Kleinserienproduktion und Werkzeugen in zukunftsorientierten Fertigungsindustrien wie Luft- und Raumfahrt, Elektronik, Automobil und Medizintechnik eingesetzt.

Unter den Branchen, die an der Spitze der innovativen Fertigung stehen, hat sich der Medizinsektor zu einem wichtigen Segment entwickelt, das das Wachstum der additiven Fertigung vorantreibt.

Durch das schichtweise Verschmelzen von Metallpulvern mithilfe verschiedener Sinter- oder laserbasierter Techniken können mit der additiven Fertigung komplexe Komponenten hergestellt werden, die mit herkömmlichen subtraktiven Fertigungsmethoden normalerweise sehr schwierig – wenn nicht sogar unmöglich – wären.

Zu den Vorteilen der additiven Fertigung gehören größere Designfreiheit und Individualisierung, verbesserte Produktstärke und Funktionalität, kürzere Montagezeit für komplexe Komponenten, lokalisierte Produktion, schnelle Markteinführung, Reduzierung von Verschwendung, geringere Veralterung, geringere Abhängigkeit von traditionellen Lieferanten und sogar die Schaffung von neue Materialien mit einzigartigen mechanischen und verhaltensbezogenen Eigenschaften.

Die meisten additiv gefertigten Teile bestehen aus Legierungen – sowohl konventionellen als auch neuartigen. Allerdings werden auf diese Weise nur sehr wenige Legierungsteile hergestellt, die die gleiche Qualität aufweisen oder die gleichen mechanischen Eigenschaften beibehalten wie ähnliche Legierungen, wenn sie mit einem herkömmlichen Verfahren wie dem Schmieden hergestellt werden.

Ihr Verhalten reagiert nicht ähnlich, was vor allem auf das schnelle Schmelzen und Erstarren zurückzuführen ist, dem sie im additiven Fertigungsprozess unterliegen.

Da die additive Fertigungsindustrie vor der Herausforderung stand, die Eigenschaften von Metalllegierungen beizubehalten oder sogar zu verbessern, hat sie auf die Materialwissenschaft und -technik zurückgegriffen, um die Entwicklung von Legierungsteilen mit überlegenen mechanischen Eigenschaften zu ermöglichen.

Nitinol (NiTi) wurde vor über 50 Jahren entdeckt und ist eine besonders wertvolle Metalllegierung, die zahlreiche Industrien revolutioniert hat.

Es besteht zu 50 % aus atomarem Nickel und zu 50 % aus atomarem Titan und verfügt über einzigartige Eigenschaften, die seine Superelastizität und den „Formgedächtniseffekt“ ermöglichen, was bedeutet, dass es je nach Temperatur seine Form ändern kann. Aufgrund dieses besonderen Verhaltens wird Nitinol zunehmend in der Medizin-, Dental- und Luft- und Raumfahrtindustrie eingesetzt.

Nitinol ist ein hervorragendes Material zur Herstellung von Komponenten für minimalinvasive medizinische Geräte wie Führungsdrähte, Katheter und Stents. Wenn medizinische Fachkräfte in besonders engen Bereichen navigieren müssen, verfügt Nitinol sowohl über die Flexibilität, seine Form je nach Bedarf zu ändern, als auch über die Haltbarkeit, um hohen Belastungen standzuhalten.

Stents, die zum Offenhalten von Arterien verwendet werden, sind vielleicht das deutlichste Beispiel dafür, warum die Superelastizität und der Formgedächtniseffekt von Nitinol so vorteilhaft sind. Wenn Stents in den Körper eingeführt werden, können sie auf eine winzige Größe komprimiert werden, um bei minimalinvasiven Eingriffen eingesetzt zu werden.

Wenn sie jedoch an der richtigen Stelle in der Arterie platziert werden, dehnen sie sich aus, um den erforderlichen Raum auszufüllen und die innere Arterienwand zu stabilisieren, ein Vorgang, der mit Edelstahl nicht möglich wäre.

Bei orthopädischen Eingriffen benötigen Chirurgen Komponenten, die den Patienten dabei helfen, ihre Flexibilität und Bewegungsfreiheit wiederherzustellen und sich leicht an das Gewebe des einzelnen Patienten anzupassen. Nitinol ist das bevorzugte Material für diese Komponenten, da es das mechanische Verhalten von Knochen nachahmt.

Kieferorthopäden benötigen außerdem Drähte und Brackets, die Zahnspangen zusammenhalten und die Funktion haben, Zähne zu bewegen. Daher ist das Formgedächtnis von Nitinol besonders nützlich beim Drucken von Nitinol-Anwendungen.

Trotz aller Vorteile kann die Entwicklung von Komponenten aus Nitinol ihre Herausforderungen mit sich bringen. Die Legierung kann schwer zu bearbeiten sein, daher war das Produktdesign normalerweise auf einfache Strukturen beschränkt.

Zu diesen Schwierigkeiten gehören hohe Zähigkeit, hohe Duktilität und Kaltverfestigung bei Schneidprozessen. Daher führt die herkömmliche Bearbeitung zu übermäßigem Werkzeugverschleiß, hohen Schnittkräften und Oberflächenbeeinträchtigungen, was oft zu einer schlechten Werkstückqualität mit schlechterem Spanbruch und Gratbildung führt.

Und obwohl die additive Fertigung eine verbesserte Produktionseffizienz und größere Gestaltungsfreiheit bieten kann, gibt es beim Drucken mit Nitinol immer noch Probleme, die gelöst werden müssen.

Die Verdampfung des Nickels während des additiven Fertigungsprozesses kann das Nickel/Titan-Verhältnis verringern und dadurch die Umwandlungstemperatur erhöhen. Darüber hinaus kann die Sauerstoffaufnahme im Material auch die Umwandlungstemperatur beeinflussen, das Formgedächtnis negativ beeinflussen und die Gesamtleistung der beabsichtigten Anwendung beeinträchtigen.

Hier haben Ingenieure dank fundierter Kenntnisse der Materialwissenschaften verstanden, welchen Einfluss die Atmosphäre der Druckkammer auf das gedruckte Teil hat und warum die atmosphärischen Bedingungen optimal sein müssen.

Obwohl die Atmosphäre in der Kammer mit hochreinem Argon gespült wird, um den Sauerstoff zu entfernen, bleiben aufgrund unvollständiger Spülung und kleiner Leckagen Verunreinigungen vorhanden.

Selbst extrem kleine Schwankungen des Sauerstoffgehalts können die mechanischen oder chemischen Eigenschaften von sauerstoffempfindlichen Metallen und Legierungen – einschließlich Nitinol – beeinträchtigen und die Zusammensetzung des Endprodukts beeinflussen, was zu negativen physikalischen Eigenschaften wie Verfärbungen und sogar einer schlechten Ermüdungsbeständigkeit führt. Typischerweise liegt der Restsauerstoffgehalt nach dem Spülen bei etwa 1.000 ppm – weit entfernt vom Idealwert von weniger als 10 ppm.

Die Materialwissenschaftler und Ingenieure von Linde haben sich in den letzten Jahren der Entwicklung bahnbrechender Technologien zur Beseitigung dieser atmosphärischen Verunreinigungen gewidmet, um Herstellern optimale Druckbedingungen zu bieten.

Das Ergebnis – ADDvance® O2 precision – ermöglicht eine kontinuierliche Analyse der Gasatmosphäre und erkennt den Sauerstoffgehalt mit hoher Präzision und ohne Querempfindlichkeit. Das Gerät erkennt O2-Konzentrationen von nur zehn Teilen pro Million (ppm) und leitet automatisch einen Spülvorgang ein, um die Atmosphäre so rein wie nötig zu halten.

Beim Drucken von Nitinol-Komponenten ist es wichtig, einen niedrigen und konstanten O2-Wert aufrechtzuerhalten. Wenn dies nicht gelingt, kann das Material oxidieren – entweder aufgrund eines zu hohen O2-Gehalts oder aufgrund unterschiedlicher mechanischer Eigenschaften von Teil zu Teil.

Das Fachwissen in den Materialwissenschaften hat auch zur Entwicklung einzigartiger und maßgeschneiderter Gasmischungen geführt, wie z. B. ADDvance Laser230, das speziell zur Optimierung der Druckergebnisse entwickelt wurde. Es wurde erfolgreich an einer Reihe von Legierungen getestet, darunter hochfestes Aluminium AISi10MG, Superlegierungen auf Nickelbasis, Titan, Nitinol und Edelstahl. Es kombiniert Argon mit Helium, um die Wiederablagerung von Partikeln um bis zu 30 % und den Pulververlust um bis zu 20 % zu reduzieren.

Außerdem wird Wartungszeit eingespart, da weniger Filterwechsel erforderlich sind. Darüber hinaus wird die Rauchbildung verringert und die Druckzeit verkürzt, was den Druckprozess sicherer macht und die Kosten pro Teil senkt. Es ist legierungsunabhängig und ideal für die additive Fertigung von Gitterstrukturen.

Mit solchen Fortschritten in der additiven Fertigungstechnologie wird Nitinol nicht nur dafür sorgen, dass medizinische Verfahren in Zukunft weniger invasiv werden, sondern es wird auch Möglichkeiten zur Herstellung von Spitzenprodukten und Komponenten eröffnen, die bisher unerreichbar waren.

Während die Materialwissenschaft seit Generationen auf unterschiedlichem Niveau existiert, könnte sie heute die wichtigste Disziplin für unsere Zukunft sein. Bei den meisten großen Herausforderungen, vor denen wir stehen, dürften Materialien in der einen oder anderen Form im Mittelpunkt der Lösung stehen.

Vom Aufbau einer Zukunft mit sauberer Energie bis hin zur Ermöglichung bisher undenkbarer lebensverlängernder Operationen – die Materialwissenschaft treibt Innovationen in der Fertigung voran.

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