Stabile 3D-gedruckte Legierungen für Autos und Flugzeuge

Ein leichtes Material, das 3D-gedruckt verbaut werden kann und gleichzeitig stabil genug ist, um schwere Lasten zu tragen: Das ist hoch interessant für die Auto- und Flugzeugindustrie. Denn es könnte bis zu 50 % CO₂ im Mobilitätssektor einsparen. Die Aluminium-Legierung Scalmalloy® scheint genau solche Eigenschaften vorzuweisen. Um den Grund für die hohe Belastbarkeit zu verstehen und damit Legierungen in Zukunft weiter optimieren zu können, haben Forschende in Zusammenarbeit mit Mercedes Benz, Premium AEROTEC und Airbus Messungen durchgeführt.

Img 1377 titelbild cropped 1 Dr. Xingxing Zhang bei der Arbeit am Instrument STRESS-SPEC. © FRM II / TUM

Dr. Xingxing Zhang bei der Arbeit am Instrument STRESS-SPEC. © FRM II / TUM

Stabile Legierungen trotz großer Krafteinwirkung
Bislang haben sich die Untersuchungen an der Scalmalloy® Legierung hauptsächlich auf die Frage konzentriert, welchen Einfluss ihre Zusammensetzung und Kristallstruktur auf die Stabilität haben. Für Anwendungen, in denen die Legierung unter großer Krafteinwirkung ihre Form beibehalten oder nach einer elastischen Verformung wieder die ursprüngliche Form annehmen muss, reichen diese Informationen jedoch nicht aus. Bei Dehnung einer Legierung treten zunächst mikroskopische Veränderungen auf. Diese heißen auch Mikroplastizität des Materials und zeigen sich, indem Atome innerhalb des Materials ihre Position leicht verändern, also eine Dislokation bzw. einen Defekt aufweisen.
Erst später kommt es zur makroskopischen Deformation, die auch mit dem bloßen Auge erkennbar ist. Das ist die so genannte Makroplastizität der Legierung. „Wir brauchen ein tiefes Verständnis für die Materialeigenschaften, um eine sichere und effiziente Nutzung der Aluminium-Legierung zu ermöglichen“, sagt Dr. Xingxing Zhang über seine Forschung in Kooperation mit Vertretern der Auto- und Flugzeugindustrie.

Röntgenstrahlen zur Untersuchung der Proben
Aktuell arbeitet Dr. Xingxing Zhang in Peking am Institut für Hochenergiephysik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften. Er hat die Untersuchungen gemeinsam mit Dr. Weimin Gan, Instrumentwissenschaftler des Helmholtz Zentrum Hereon am MLZ, an der Forschungseinrichtung des DESY in Hamburg durchgeführt. Hier stehen Röntgenstrahlen zur Verfügung, um Kristallstrukturen und deren Defekte hoch aufzulösen. Verglichen haben sie die Proben nach dem 3D-Druck unbehandelt und in ausgehärtetem Zustand und das sowohl vor als auch während der Belastung. Denn obwohl das Aushärten eine erprobte Methode ist, war zuvor nicht vollständig geklärt, welchen Einfluss es auf die Mikroplastizität der Legierung hat. Für die Belastung des Materials haben sie die spezielle Zugmaschine verwendet, die am STRESS-SPEC Instrument am MLZ entwickelt wurde.

Fig 1b-evtl-titelbild-min Um zu untersuchen, wie sich das Material während der Dehnung verändert, setzten die Forschenden die Aluminiumprobe Scalmalloy® des Herstellers Toyal Europe Zugspannung aus und maßen währenddessen mit Röntgenstrahlen. © International Journal of Plasticity

Um zu untersuchen, wie sich das Material während der Dehnung verändert, setzten die Forschenden die Aluminiumprobe Scalmalloy® des Herstellers Toyal Europe Zugspannung aus und maßen währenddessen mit Röntgenstrahlen. © International Journal of Plasticity

Häufung der Fehlstellen ist Schlüssel zur Verbesserung der Legierung
Während der kontinuierlichen Zugbelastung fand das Team um Dr. Xingxing Zhang verschiedene Stadien der Deformation des Materials. Dafür haben sie mikro- und makroskopische Deformationen sowie die Häufung der Fehlstellen (also die Defekt- bzw. Fehlstellenkonzentration) gemessen, um die zugrundeliegenden Mechanismen zu verstehen. Sie stellten fest, dass sich die Stadien im ausgehärteten und unbehandelten Zustand signifikant unterscheiden, mit jeweils eigenen Fehlstellenkonzentrationen. Um dieses komplexe Verhalten zu modellieren, hat Dr. Xingxing Zhang ein neuartiges, dreidimensionales, auf Defektkonzentration basierendes Modell der Kristallplastizität entwickelt, das sowohl die mikro- und makroskopischen Eigenschaften als auch die Fehlstellenkonzentration sehr genau vorhersagen kann. Diese beeinflusst die Stabilität der Legierung und daher versteht man nun, wie sie sich bei länger anhaltender Dehnung entwickelt. „Ein sehr wichtiger Fortschritt“, sagt Dr. Xingxing Zhang.
Mithilfe der Röntgenstreuung an der Probe haben die Forschenden auf die Spannung im Material zurückrechnen können. Simulationen stützten die experimentell bestimmten Werte. Neutronen, wie sie am MLZ zur Verfügung gestellt werden, könnten hingegen Aufschluss auf die Atomkernpositionen geben und die bereits durchgeführten Messungen ergänzen.