Forschern ist es gelungen, einen einen Meter hohen Metallkristall im 3D-Druck herzustellen.
Wenn man das Wort „Kristall“ hört, denkt man oft an einen Diamanten oder einen Edelstein. Doch auch Metalle bestehen aus Kristallen. In einem gewöhnlichen Metallstück findet man eine Vielzahl kleiner Körner, deren Atome nicht gleich ausgerichtet sind.
Metallproben, die im 3D-Druck hergestellt wurden: Niob, Wolfram, Molybdän und eine Molybdän-Niob-Legierung. Die Fotografien werden von farbigen Karten begleitet, die die Orientierung ihrer Kristallstruktur zeigen.
Die Grenzen zwischen diesen Körnern können zu Schwachstellen werden, insbesondere wenn ein Metall hohen Temperaturen oder lang anhaltenden Belastungen ausgesetzt ist. Ein Einkristall besitzt dagegen in seiner gesamten Struktur dieselbe Anordnung der Atome. Dadurch kann er für bestimmte technische Bauteile sehr interessante Eigenschaften aufweisen.
Das Problem besteht darin, diese Kristalle in großen Dimensionen herzustellen. Bei den herkömmlichen Methoden muss ihr Wachstum sorgfältig kontrolliert werden, und die möglichen Formen bleiben begrenzt. Daher wählten die Forscher einen anderen Ansatz: Sie bauten das Metall schrittweise Schicht für Schicht auf, ähnlich wie bei einem 3D-Drucker.
Ihre Methode beruht auf einer äußerst präzisen Erwärmung. Statt das Metall konstant zu erhitzen, wechselt das Gerät zwischen verschiedenen Wärmezufuhrarten und verwendet Impulse. Auf diese Weise wird die kleine Schmelzzone des Metalls kontrolliert, die anschließend erstarrt.
Dem Team gelang es so, eine etwa einen Meter hohe und wenige Zentimeter breite Struktur aus einer Titanlegierung herzustellen. Trotz ihrer Größe behalten die Atome darin eine gemeinsame kristalline Ordnung. Das Ergebnis ist ein einzigartig großer Kristall.
Die Forscher zeigten außerdem, dass ihr Verfahren auch mit anderen schwer zu bearbeitenden Metallen funktionieren kann, insbesondere mit Wolfram und Molybdän. Diese Materialien halten sehr hohen Temperaturen stand, doch ihre Herstellung in komplexen Formen erfordert oft großen Aufwand.
Warum sucht man nach solchen Bauteilen? Einige Motoren und Industrieanlagen verwenden Komponenten, die hohen Temperaturen und starken Belastungen ausgesetzt sind. Die Möglichkeit, Einkristalle in bestimmten Formen herzustellen, könnte ihre Belastbarkeit verbessern und neue Konstruktionsmöglichkeiten eröffnen.
Derzeit bleibt diese Technik eine Demonstration im Labor. Bevor eine industrielle Fertigung in großem Maßstab in Betracht gezogen werden kann, müssen ihre Leistungsfähigkeit an realen Bauteilen, ihre Zuverlässigkeit und ihre Kosten überprüft werden.