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ACAMONTA – Zeitschrift für Freunde und Förderer der TU Bergakademie Freiberg Forschung an der TU Bergakademie Freiberg 28 Über die additive Fertigung, oftmals als 3D- Druck bezeichnet, lassen sich Bauteile nahezu beliebiger geometrischer Komplexität herstellen. Zudem lassen die Prozessrandbedingungen die direkte Einstellung der Mikrostruktur in den verwendeten metallischen Werkstoffen zu. Hie- raus ergeben sich weitreichende Möglichkeiten bezüglich der Optimierung der Eigenschaften aktuell gefragter Hochleistungswerkstoffe. 1 Metall, Selektives Elektronenstrahlschmelzen, Selektives Laserstrahlschmelzen, Mikrostruktur, Mechanische Eigen- schaften / Metal, Selective electron-beam melting, Selec- tive laser melting, Microstructure, Mechanical properties 1 Institut für Werkstofftechnik Verfahren der additiven Fertigung (engl. Additive Manufacturing (AM)) werden umgangssprachlich oftmals auch als 3D-Druck oder immer noch als Rapid Prototyping bezeichnet. AM ist ein Oberbegriff für eine Reihe moderner Fertigungsverfahren, die in den verschie- densten Industrien Einzug halten [1]. Ak- tuell werden vielfach Titanlegierungen als Werkstoffe eingesetzt. Begründet durch ihre hohe spezifische Festigkeit, gute Kor- rosionsbeständigkeit, gute Verträglichkeit mit Verbundwerkstoffen und ihre Bio- kompatibilität finden diese Legierungen sowohl in der Luftfahrttechnik, so z. B. als hochbelastbare Strukturbauteile, als auch in der Medizintechnik, namentlich als Implantat, Verwendung [2–6]. Sowohl die Verfahren zur Generierung von Bautei- len aus Polymerwerkstoffen als auch die metallverarbeitenden Verfahren basieren dabei auf dem selben Grundprinzip: dem schichtweisen Aufbau der Strukturen auf der Basis von Pulvern oder auch Drähten. Beim selektiven Laserstrahlschmelzen (engl. Selective Laser Melting (SLM)) bzw. beim selektiven Elektronenstrahlschmel- zen (engl. Selective Electron Beam Melting Neue Werkstoffe über additive Fertigung Johannes Günther 1 , Thomas Niendorf 1

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Page 1: Neue Werkstoffe über additive Fertigung - qucosa.de · Geometallurgie – Warum Metallurgen mit Geowissenschaftlern kom-munizieren sollten. Erzmetall 67, 5–9. 5 Bachmann K, Frenzel

ACAMONTA – Zeitschrif t für Freunde und Förderer der TU Bergakademie Freiberg

Forschung an der TU Bergakademie Freiberg

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Indiumkonzentrationen. Es ist klar zu erkennen, dass zwei Probengruppen un-terscheidbar sind: eine mit niedrigen und eine mit hohen Indiumkonzentrationen.

Die Gründe für diese Verteilung wer-den momentan noch erforscht. Allerdings ist klar, dass die der indiumreichen Gruppe zugehörigen Lagerstättenparti-en oftmals ausreichend große räumliche Kontinuität besitzen, so dass sie mögli-cherweise als separate Blöcke abgebaut werden können.

Bedeutung der ErgebnisseAus den im vorherigen Abschnitt prä-

sentierten Ergebnissen resultieren klare Schlussfolgerungen für die spätere Nut-zung der in Neves-Corvo vorhandenen Indiumpotenziale: Aus der klaren Domi-nanz von Sphalerit und Chalkopyrit als wichtigsten Indiumträgern geht hervor, dass ein großer Teil des in den Erzen

enthaltenen Indiums zusammen mit den bereits produzierten Hauptprodukten Zink und Kupfer in den entsprechenden Erz-konzentraten gewonnen werden kann. Die aufgedeckten Regelmäßigkeiten in der Verteilung des Indiums zwischen Spha-lerit und Chalkopyrit könnten außerdem die Vorhersage der Verteilung des Indiums auf die aus dem Verschnitt verschiedener Abbaublöcke hervorgehenden Zink- und Kupferkonzentrate erlauben.

Wenn des Weiteren die indiumreichen Partien der Lagerstätte separat abgebaut und verarbeitet werden, was aufgrund der räumlichen Verteilung des Indiums denkbar wäre, ist es außerdem möglich, Konzentrate mit den von den Hüttenbe-trieben für die Vergütung geforderten Mindestkonzentrationen zu erzeugen. Das Bergwerk könnte so, ohne signifikante zu-sätzliche Investitionen tätigen zu müssen, von seinem Potenzial profitieren.

Abb. 5: Histogramm der Indiumkonzentrationen in Erzproben. Die Konzentrationsachse ist logarithmisch skaliert (Basis 2). Zur Wahrung des Betriebsgeheimnisses sind tatsächliche Konzentrationen nicht angegeben. Ungefähr 20 % aller Proben enthalten > 90 % allen Indiums.

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Allgemeine SchlussfolgerungenDas obige Beispiel zeigt sehr gut,

wie geometallurgische Denkweisen und Methoden auf die Vorkommen diverser Hochtechnologiemetalle, die nur als Beiprodukte zu gewinnen sind, ange-wendet werden können. Für ähnliche Hochtechnologie-Elemente wie Gallium, Germanium, Selen und Tellur fehlen bisher analoge Arbeiten leider völlig. Es wäre wünschenswert, dass solche Studien an weiteren polymetallischen Lagerstätten durchgeführt werden. Auch für typische „Strafelemente“ wie Cadmium oder Arsen könnte dies sinnvoll sein. Natürlich wür-de der Fokus bei letzteren eher auf der Vermeidung ihrer Anreicherung in den Konzentraten liegen. Die hier vorgestellte Arbeit könnte nichtsdestotrotz auch für solche Studien als Muster dienen.

Literatur1 Reich F, Richter T, 1863. Über das Indium.

Journal für Praktische Chemie 90, 172–176.2 Tolcin AC, 2015. Indium. In USGS Mineral

Commodity Summaries, January 2015. U.S. Geological Survey, Reston, Va. pp. 74–75.

3 Nassar NT, Graedel TE, Harper EM, 2015. By-product metals are technologically essential but have problematic supply. Science Advan-ces 2015.

4 Gutzmer J, 2014. Geometallurgie – Warum Metallurgen mit Geowissenschaftlern kom-munizieren sollten. Erzmetall 67, 5–9.

5 Bachmann K, Frenzel M, Gutzmer J, 2015. Advanced identification and discrimination of Indium-bearing minerals by automated mineralogy. 13th SGA Biennial Meeting 2015, Nancy, France (in press).

6 Frenzel M, Bachmann K, Krause J, Carval-ho JRS, Relvas JMRS, Pacheco N, Gutzmer J, 2015. Mineralogical deportment of indium in the Neves-Corvo deposit – Implications for re-covery and extraction. SEG 2015 Conference, Hobart, Australia (in press).

Über die additive Fertigung, oftmals als 3D-Druck bezeichnet, lassen sich Bauteile nahezu beliebiger geometrischer Komplexität herstellen.Zudem lassen die Prozessrandbedingungen die direkte Einstellung der Mikrostruktur in den verwendeten metallischen Werkstoffen zu. Hie-raus ergeben sich weitreichende Möglichkeiten bezüglich der Optimierung der Eigenschaften aktuell gefragter Hochleistungswerkstoffe.1

Metall, Selektives Elektronenstrahlschmelzen, Selektives Laserstrahlschmelzen, Mikrostruktur, Mechanische Eigen-schaften / Metal, Selective electron-beam melting, Selec-tive laser melting, Microstructure, Mechanical properties

1 Institut für Werkstofftechnik

Verfahren der additiven Fertigung (engl. Additive Manufacturing (AM)) werden umgangssprachlich oftmals auch als 3D-Druck oder immer noch als Rapid Prototyping bezeichnet. AM ist ein Oberbegriff für eine Reihe moderner Fertigungsverfahren, die in den verschie-densten Industrien Einzug halten [1]. Ak-tuell werden vielfach Titanlegierungen als Werkstoffe eingesetzt. Begründet durch ihre hohe spezifische Festigkeit, gute Kor-rosionsbeständigkeit, gute Verträglichkeit mit Verbundwerkstoffen und ihre Bio-kompatibilität finden diese Legierungen

sowohl in der Luftfahrttechnik, so z. B. als hochbelastbare Strukturbauteile, als auch in der Medizintechnik, namentlich als Implantat, Verwendung [2–6]. Sowohl die Verfahren zur Generierung von Bautei-len aus Polymerwerkstoffen als auch die metallverarbeitenden Verfahren basieren dabei auf dem selben Grundprinzip: dem schichtweisen Aufbau der Strukturen auf der Basis von Pulvern oder auch Drähten. Beim selektiven Laserstrahlschmelzen (engl. Selective Laser Melting (SLM)) bzw. beim selektiven Elektronenstrahlschmel-zen (engl. Selective Electron Beam Melting

Neue Werkstoffe über additive FertigungJohannes Günther1, Thomas Niendorf1

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2922. Jahrgang 2015

(EBM)), die im Bereich der Metalle oftmals eingesetzt werden, erfolgt der Aufbau im Zuge einer zyklischen Abfolge des Auf-tragens dünner Pulverschichten und des lokalen Aufschmelzens der Bauteilkontur im jeweiligen Querschnitt, der durch ein dreidimensionales Computermodell vor-gegeben wird (vgl. Abb. 1). Ein großer Vorteil dieses Prinzips ist die werkzeug- und formlose Fertigung physikalischer Strukturen direkt aus einem virtuellen Konstruktionsdatensatz heraus [7–10]. Dadurch können auf kosten- und zeitef-fiziente Weise komplizierteste Bauteile mit zahlreichen geometrischen Freiheits-graden gestaltet werden, die über eine umformende oder spanende Bearbeitung in konventionellen Prozessen nicht zu fer-tigen sind. Hergestellt werden Prototypen, individuelle Einzelstücke und Kleinserien, wobei die Teile direkt nach dem Prozess zumeist mechanische Eigenschaften, ver-gleichbar mit denen gegossener Werkstü-cke, aufweisen. Für die Fertigung hoch-belasteter Komponenten kann auf eine Reihe von Nachbehandlungsverfahren zurückgegriffen werden, wie sie bereits für konventionell verarbeitete Werkstoffe seit langer Zeit eingesetzt werden. Das Portfolio prozessierbarer Werkstoffe wird ständig erweitert und umfasst – neben den bereits erwähnten Titanlegierungen – Alu-miniumlegierungen, Edel-, Werkzeug- und Sonderstähle sowie hochtemperaturbe-ständige Nickelbasislegierungen [11–16].

Das selektive Laser- und das Elektro-nenstrahlschmelzen sind artverwandte Verfahren; die Verwendung unterschied-licher Energiequellen – Laser- bzw. Elek-tronenstrahl – bedingt jedoch im Detail Unterschiede in der Prozessführung. Hieraus resultieren bei jedem Verfahren

Vor- und Nachteile [17]. Während bei den laserbasierten Anlagen unter einer Schutzgasatmosphäre gearbeitet wird, verläuft der elektronenstrahlbasierte Prozess im Vakuum. Dies erweitert die Auswahl an verarbeitbaren Materialien, da hierdurch die unerwünschte Aufnah-me von leichten Elementen nahezu gänz-lich vermieden werden kann. Gerade in intermetallischen Verbindungen, so z. B. den Titanaluminiden, kann hierüber eine ungewollte Versprödung vermieden wer-den [18,19]. Durch die im Vergleich zum trägeren Laserstrahl schnelle Ablenkbar-keit des Elektronenstrahls über elektro-magnetische Spulen ist eine Erwärmung des gesamten Bauraumes möglich, was die Abkühlgeschwindigkeiten stark beein-flusst. Die damit deutlich verringerten Ei-genspannungen im Bauteil schlagen sich in verbesserten mechanischen Eigenschaften nieder [20–23]. Bei Anwendung des selek-tiven Laserstrahlschmelzens wird dagegen die Oberflächenrauheit verbessert [24, 25]. Der interessante Weg der Verarbeitung von Mischpulvern wird mit beiden Verfahren gangbar sein; die Untersuchungen hierzu stehen jedoch erst in den Anfängen, so dass eine abschließende Beurteilung hinsicht-lich der jeweiligen verfahrensspezifischen Vorteile noch nicht möglich ist.

Sämtliche additiven Fertigungsverfah-ren versprechen enorme Möglichkeiten zur kostengünstigen Umsetzung neuer Ansätze im Leichtbau. Dies kann prinzi-piell durch eine topologische Optimierung der Bauteile mittels computergestützter Simulationsmethoden realisiert werden, da eine konstruktiv nahezu unbegrenzte Gestaltungsfreiheit gegeben ist. Zudem ist eine Funktionalisierung zur Erreichung des Minimalgewichts von Bauteilen

wegweisend. Dies bedeutet, dass mehrere funktionsbildende Elemente direkt über die Formgebung im Bauteil vorgesehen werden können, was wiederum positive Auswirkungen auf Nachbearbeitung und fügetechnischen Aufwand hat [26, 27].

Hinsichtlich ihrer Beschaffenheit können Bauteile weiterhin durch eine sog. multifunktionale Gradierung sehr individuell für verschiedenste Belas-tungsszenarien ausgelegt werden. Diese beinhaltet nicht nur eine Geometrieopti-mierung, sondern kann auch eine örtli-che Variation der Mikrostruktur sowie der chemischen Zusammensetzung der Materialien umfassen. Dies resultiert in lokal deutlich variierenden mechanischen Kennwerten, so dass Festigkeits- und Deformationseigenschaften optimal an wirkende Lasten angepasst sind. Diese gezielten Adaptionen können nicht nur das statische Verformungsverhalten be-einflussen, sondern werden sich auch in verbesserten Ermüdungseigenschaften manifestieren [28–33].

Abb. 2 [32] zeigt deutlich, wie durch die Regelung der Laserleistung und damit des Energieeintrags beim SLM die Mi-krostruktur direkt beeinflusst werden kann. Die Gefüge können dabei in wei-ten Bereichen von relativ feinkristallinen bis hin zu stängelförmigen, grobkörnigen Strukturen ausgebildet werden. Dies ist für sämtliche Werkstoffklassen von ho-hem Interesse. So sind die stängelförmig-groben Strukturen vor allem im Bereich von Hochtemperaturwerkstoffen vielver-sprechend. Da diese weniger Korngrenzen aufweisen, ist der Schädigungseintrag bei sehr hohen Temperaturen wesentlich ge-ringer [34]. Ein derartiges Mikrostruktur-design ist ebenso über den EBM-Prozess möglich. Abb. 3 [33,35] zeigt eine ent-sprechende Anlage sowie ausgewählte Musterbauteile.

Abb. 1: Schematische Darstellung der Prozessabfolge beim selektiven Laser- und Elektronenstrahlschmelzen

Abb. 2: Über das selektive Laserschmelzen einge-prägte variierende Mikrostrukturen: austenitischer Stahl [32]

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ACAMONTA – Zeitschrif t für Freunde und Förderer der TU Bergakademie Freiberg

Forschung an der TU Bergakademie Freiberg

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Ein Ziel grundlagenwissenschaft-licher Forschung ist die Entwicklung neuer Werkstoffe, die speziell auf die Verfahrensrandbedingungen der AM-Verfahren zugeschnitten sind. Gerade die rasche Erstarrung nach dem lokalen Aufschmelzen ist ein einzigartiger As-pekt, der die robuste Verarbeitung neu-er Hochleistungswerkstoffe vorantreiben wird. Hierüber lassen sich z. B. neue Le-gierungssysteme erschmelzen, die über konventionelle Verfahren bisher nicht prozessierbar waren. So konnte erstma-lig eine Eisenbasis-Silber-Legierung über SLM erzeugt werden (Abb. 4) [36], die als aussichtsreicher Kandidat zur Herstellung bioresorbierbarer Implantate weitere For-schung initiieren wird. Die Möglichkeit zur Herstellung zellulärer Strukturen, wie sie in Abb. 5 dargestellt sind, ist dabei na-türlich im Hinblick auf die Schnittstellen zwischen Knochen und dem Implantat von besonderem Interesse.

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cellin-Little, D. R. Cormier, H. A. West, Mater. Sci. Eng. C 28 (2008) 366–373.

3 L. E. Murr, K. N. Amato, S. J. Li, Y. X. Tian, X. Y. Cheng, S. M. Gaytan, E. Martinez, P. W. Shindo, F. Medina, R. B. Wicker, J. Mech. Be-hav. Biomed. Mater. 4 (2011) 1396–1411.

4 G. Lütjering, J. C. Williams, Titanium, 2nd ed, Springer, Berlin; New York, 2007.

5 X. Li, C. Wang, W. Zhang, Y. Li, Mater. Lett. 63 (2009) 403–405.

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8 P. Fastermann, 3D-Drucken: wie die generati-ve Fertigungstechnik funktioniert, Springer Vieweg, Berlin, 2014.

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10 U. Lindhe, H.-J. Hesse, RTeJournal (2004).11 L. E. Murr, Addit. Manuf. 5 (2015) 40–53.12 E. Brandl, U. Heckenberger, V. Holzinger, D.

Buchbinder, Mater. Des. 34 (2012) 159–169.13 H. E. Helmer, C. Körner, R. F. Singer, J. Mater.

Res. 29 (2014) 1987–1996.14 K. Guan, Z. Wang, M. Gao, X. Li, X. Zeng, Ma-

ter. Des. 50 (2013) 581–586.15 S. Leuders, M. Thöne, A. Riemer, T. Niendorf,

T. Tröster, H.A. Richard, H. J. Maier, Int. J. Fa-tigue 48 (2013) 300–307.

16 T. Niendorf, F. Brenne, Mater. Charact. 85 (2013) 57–63.

17 L. E. Murr, S.M. Gaytan, D. A. Ramirez, E. Martinez, J. Hernandez, K. N. Amato, P.W. Shindo, F. R. Medina, R. B. Wicker, J. Mater. Sci. Technol. 28 (2012) 1–14.

18 A. Strondl, O. Lyckfeldt, H. Brodin, U. Ackelid, JOM 67 (2015) 549–554.

19 L. C. Ardila, F. Garciandia, J. B. González-Díaz,

P. Álvarez, A. Echeverria, M. M. Petite, R. Deff-ley, J. Ochoa, Phys. Procedia 56 (2014) 99–107.

20 L. E. Murr, S. M. Gaytan, A. Ceylan, E. Mar-tinez, J. L. Martinez, D. H. Hernandez, B. I. Machado, D. A. Ramirez, F. Medina, S. Collins, Acta Mater. 58 (2010) 1887–1894.

21 H. Weiwei, J. Wenpeng, L. Haiyan, T. Huiping, K. Xinting, H. Yu, Rare Met. Mater. Eng. 40 (2011) 2072–2075.

22 L. M. Sochalski-Kolbus, E. A. Payzant, P. A. Cornwell, T. R. Watkins, S. S. Babu, R. R. De-hoff, M. Lorenz, O. Ovchinnikova, C. Duty, Metall. Mater. Trans. A 46 (2015) 1419–1432.

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28 M. Merklein, M. Geiger, J. Mater. Process. Technol. 125-126 (2002) 532–536.

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32 T. Niendorf, S. Leuders, A. Riemer, H.A. Ri-chard, T. Tröster, D. Schwarze, Metall. Mater. Trans. B 44 (2013) 794–796.

33 J. Günther, T. Niendorf, GIT Labor-Fachzeit-schrift, Ausgabe 7/2015

34 R. Bürgel, H. J. Maier, T. Niendorf, Handbuch Hochtemperatur-Werkstofftechnik, 4., überarb. Aufl, Vieweg + Teubner, Wiesbaden, 2011.

35 TU Bergakademie Freiberg, http://tu-frei-berg.de/presse/wichtigster-deutscher-nach-wuchsforscherpreis-geht-an-freiberger-wis-senschaftler (Foto: K. Werneburg).

36 T. Niendorf, F. Brenne, P. Hoyer, D. Schwarze, M. Schaper, R. Grothe, M. Wiesener, G. Grund-meier, H.J. Maier, Metall. Mater. Trans. A 46 (2015) 2829–2833.

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Abb. 3: Die Anlage zum Elektronenstrahlschmelzen in Freiberg; im Vordergrund sind einfache Musterbauteile abgebildet [33,35]

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Abb. 4: Rasterelekronenmikroskopische Aufnahme von einer über das selektive Laserschmelzen herge-stellten Eisenbasis-Silber-Legierung [36]

Abb. 5: Auswertung lokaler Verformungen in einer über das selektive Laserschmelzen hergestellten filigranen Gitterstruktur. Die über die digitale Bildkorrelation errechneten Dehnungen sind farblich kodiert. [37]