09.04.2021 - Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Elektronenstrahlschmelzen bringt sprödes Metall in Form

Forschern ist es erstmals gelungen, Bauteile aus Wolfram für den Einsatz im Hochtemperaturbereich im 3D-Druck-Verfahren Elektronenstrahlschmelzen herzustellen

Wolfram hat mit 3.422 Grad Celsius den höchsten Schmelzpunkt aller Metalle. Ideal für den Einsatz dort, wo es richtig heiß wird, etwa für Weltraumraketendüsen, Heizelemente von Hochtemperaturöfen oder im Fusionsreaktor. Das Metall ist aber zugleich sehr spröde und daher schwer zu verarbeiten. Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) fanden nun einen innovativen Ansatz, wie sie „den Spröden geschmeidig machen“: Sie entwickelten für das Verfahren des Elektronenstrahlschmelzens neue Prozessparameter, um damit auch Wolfram verarbeiten zu können.

Das Metall Wolfram verfügt über Eigenschaften, die es als Werkstoff sehr attraktiv machen: Es ist sehr korrosionsbeständig, schwer wie Gold, als Wolframcarbid hart wie Diamant, und es hat mit 3.422 Grad Celsius den höchsten Schmelzpunkt aller Metalle. Allerdings ist dieses Metall bei Raumtemperatur sehr spröde. Aufgrund seiner Eigenschaften lässt sich Wolfram mit konventionellen Fertigungsmethoden nur schwer bearbeiten. Die Verarbeitung ist sehr kostspielig und zeitintensiv im Herstellungsprozess. Eine Alternative bietet der 3D-Druck, mit dem Bauteile so hergestellt werden können, dass sie kaum noch nachbearbeitet werden müssen. „Aktuell arbeiten wir an der additiven Fertigung von Bauteilen aus dem hochschmelzenden Metall Wolfram mit dem Verfahren Electron Beam Melting, kurz EBM, auch Elektronenstrahlschmelzen genannt“, erklärt Dr. Steffen Antusch vom Institut für Angewandte Materialien – Werkstoffkunde (IAM-WK) des KIT. Das Forschungsteam konnte den EBM-Prozess erfolgreich für Wolfram anpassen. Die eigens entwickelten Prozessparameter erlauben nun den 3D-Druck von Bauteilen aus Wolfram. „Die Einsatzgebiete dieses Metalls sind beindruckend vielseitig. Durch seine speziellen Eigenschaften ist es für Hochtemperaturanwendungen in Energie- und Lichttechnik sowie für die Raumfahrt und die Medizintechnik ideal geeignet und damit für die moderne Hightech-Industrie unverzichtbar“, so Alexander Klein vom IAM-WK.

Vorwärmen erlaubt Verarbeiten von spröden Werkstoffen

EBM ist ein additives Fertigungsverfahren, bei dem die unter Vakuum beschleunigten Elektronen Metallpulver selektiv schmelzen und so Schicht für Schicht, also additiv, ein 3D-Bauteil erzeugen. Der wesentliche Vorteil dieses Verfahrens besteht in der verwendeten Energiequelle, dem Elektronenstrahl. Dieser ermöglicht das Vorwärmen des Metallpulvers sowie der Trägerplatte vor dem Schmelzen und reduziert damit Verformungen und Eigenspannungen. Dies erlaubt die Verarbeitung von Werkstoffen, die bei Raumtemperatur leicht brechen und bei hohen Temperaturen verformbar sind. Allerdings müssen die verwendeten Materialien elektrisch leitfähig sein. Für keramische Werkstoffe kommt das Verfahren daher nicht in Frage, da der EBM-Prozess auf dem Prinzip der elektrischen Ladung basiert. Das Vorwärmen des Metallpulvers vor dem Schmelzen reduziert Verformungen.

Leichtbauteile aus Titan für KA-RaceIng

Der EBM-Prozess wurde ursprünglich entwickelt, um Titanlegierungen sowie Materialien, die erhöhte Prozesstemperaturen erfordern, zu verarbeiten. Bisher wurden im Technik-Haus des KIT damit Leichtbauteile aus Titan, zum Beispiel für das Formula-Student-Projekt KA-RaceIng des KIT hergestellt.

Das IAM-WK forscht in den Forschungsprogrammen der Helmholtz-Gemeinschaft und des europäischen Fusionsprogrammes EUROfusion an Materialien und Prozessen, um Hochtemperaturwerkstoffe für zukünftige Anwendungen zum Beispiel in der Fusionsenergie oder auch in der Medizintechnik herstellen zu können.

Fakten, Hintergründe, Dossiers
Mehr über KIT
  • News

    Ein Molekül gehorcht dem Licht

    Mit Licht lassen sich Quanteninformationsverarbeitungssysteme, beispielsweise Quantencomputer, schnell und effizient betreiben. Forschende am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und an der Chimie ParisTech – CNRS haben nun die Entwicklung von molekülbasierten Materialien, die sich als ... mehr

    Perowskit-Schichten genau beleuchtet

    Perowskit-Halbleiter gelten als vielversprechende Materialien für Solarzellen der nächsten Generation. Wie gut geeignet ein Halbleiter für die Anwendung in der Photovoltaik ist, lässt sich unter anderem an der sogenannten Photolumineszenz-Quantenausbeute erkennen. Forschende des Karlsruher ... mehr

    Katalysatorforschung: Molekulare Sonden erfordern hochgenaue Rechnungen

    Katalysatoren machen viele Technologien überhaupt erst möglich. Um heterogene Katalysatoren weiter zu verbessern, bedarf es der Analyse der komplexen Prozesse an ihrer Oberfläche, wo sich die aktiven Zentren befinden. Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben mit Kolle ... mehr

  • Videos

    Bioliq: Energiegewinnung aus Reststoffen – komplette Prozesskette läuft

    Die bioliq®-Pilotanlage am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) läuft erfolgreich über die gesamte Prozesskette. Alle Stufen des Verfahrens sind nun miteinander verbunden: Schnellpyrolyse, Hochdruck-Flugstromvergasung, Heißgasreinigung und Synthese. Durch bioliq® wird Restbiomasse in u ... mehr

    Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien erhöhen

    Lithium-Batterien sollten bei Transport, Montage und im Betrieb wirklich sicher sein. KIT-Wissenschaftler erklären, welche Faktoren dazu beitragen, die Sicherheit von Lithium-Ionen-Batterien zu erhöhen. mehr

    Kleben wie ein Gecko: selbstreinigend und haftsicher

    Geckos haben Klebestreifen eines voraus: Selbst nach wiederholtem Kontakt mit Schmutz und Staub kleben ihre Füße noch auf glatten Flächen einwandfrei. Forscher des KIT und der Carnegie Mellon Universität in Pittsburgh haben nun den ersten Klebstreifen entwickelt, der nicht nur genauso hafts ... mehr

  • Forschungsinstitute

    Institut für Funktionelle Grenzflächen (IFG) am Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

    Forschungsgegenstand des Instituts für Funktionelle Grenzflächen (IFG) ist das Studium molekularer Interaktionen an fest/gas und fest/flüssig Grenzflächen. Aus der Untersuchung von Grundlagenprozessen auf der Nano-Ebene gewonnene Erkenntnisse werden konsequent auf die Makro-Ebene technische ... mehr

    Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

    Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist eine Körperschaft des öffentlichen Rechts und staatliche Einrichtung des Landes Baden-Württemberg. Es nimmt sowohl die Mission einer Universität als auch die Mission eines nationalen Forschungszentrums in der Helmholtz-Gemeinschaft wahr. Das ... mehr

  • q&more Artikel

    Analytische Quantifizierung von Gluten in Lebensmitteln

    Der Gesetzgebung zufolge dürfen Lebensmittel, die mit einem Glutenfrei-Symbol versehen sind, nicht mehr als 20 mg Gluten pro Kilogramm enthalten, was für Zöliakie-Betroffene aus gesundheitlichen Gründen lebenswichtig ist. mehr

    Bewertung der Lungentoxizität von Luftschadstoffen

    Die aktuellen Diskussionen zu Fahrverboten in europäischen Städten zeigen einerseits den hohen Stellenwert, den die Bevölkerung der Luftqualität zumisst, und andererseits den Mangel an Methoden, die von Luftschadstoffen ausgehende Beeinträchtigung der menschlichen Gesundheit direkt zu bewerten. mehr

    Biochemie in der Mikrowelle

    Die Entwicklung neuer Pharmazeutika beruht auf dem zunehmenden Verständnis intrazellulärer Vorgänge. Insbesondere durch die Erforschung von Ligand-Rezeptor-Wechselwirkungen können Wirkstoffe ­besser angepasst werden. Um Medikamente an ihren Wirkungsort ­zu bringen, werden sog. „Carrier“-Mol ... mehr

  • Autoren

    Prof. Dr. Katharina Scherf

    Katharina Scherf, Jahrgang 1985, studierte Lebensmittelchemie an der Technischen Universität München (TUM). Ihre Promotion und Habilitation erwarb sie ebenfalls an der TUM und war als leitende Wissenschaftlerin am Leibniz-Institut für Lebensmittel-Systembiologie an der TUM tätig. 2019 wurde ... mehr

    Majlinda Xhaferaj

    Majlinda Xhaferaj, Jahrgang 1992, schloss ihr Lebensmittelchemiestudium im Jahr 2018 am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ab. Seit 2019 ist sie Doktorandin in der Abteilung für Bioaktive und Funktionelle Lebensmittelinhaltsstoffe mit dem Schwerpunkt der Glutenanalytik zur Verbesseru ... mehr

    Dipl. Ing. Sonja Mülhopt

    Sonja Mülhopt erwarb 2000 ihr Diplom für Maschinenbau an der Berufsakademie (heute DHBW) Mannheim. Die begleitende Ausbildung durchlief sie am Forschungszentrum Karlsruhe, dem heutigen Karlsruher Institut für Technologie (KIT). 2014 erhielt sie den Master of Science für Chemieingenieurwesen ... mehr