Längst ist der 3D-Druck auch mit metallischen Werkstoffen etabliert. Filigrane und komplexe Strukturen lassen sich damit viel einfacher und günstiger herstellen als mit konventionellen Methoden der Metallbearbeitung. Und so ist bei 3D-gedruckten Komponenten ebenfalls eine zuverlässige Qualitätskontrolle in Form von Materialprüfungen unerlässlich. Der Hersteller von 3D-Metalldruckern, SLM Solutions aus Lübeck, entwickelt, montiert und vertreibt Drucker und Systemlösungen für das Selective-Laser-Melting- (SLM-)Verfahren. Für Festigkeitsprüfungen nutzt das Unternehmen ein Prüfsystem von ZwickRoell.

Fertigungsparameter qualifizieren

Im SLM-Verfahren fertigen Unternehmen zumeist Prototypen oder Kleinserien. Auf Basis von CAD-Daten werden dabei mittels eines Lasers aus einem Metallpulver die gewünschten homogenen Strukturen im Schmelzverfahren erstellt. Ausgangsmetalle für das Pulver können beispielsweise Aluminium, Werkzeugstahl, Edelstahl, Nickelbasislegierungen, Cobalt-Chrom oder Titan sein. Für jedes dieser Materialien müssen die Prozessparameter für den 3D-Druck, wie Laserleistung, Scangeschwindigkeit und Schichtdicke separat abgestimmt werden.

Zum Abschluss einer Parameterqualifizierung wird ein Zugversuch durchgeführt, um zu prüfen, ob der Druck mit den gewählten Parametern den geforderten mechanischen Kennwerten genügt. SLM Solutions setzt dabei auf eine Material-Prüfmaschine der Baureihe ProLine von ZwickRoell mit einer maximalen Prüfkraft von F_max = 100 kN. „Die Robustheit, hohe Qualität und einfache Bedienung der Prüfmaschine haben uns überzeugt“, sagt Daniel Brück aus dem Bereich Material and Process Development bei SLM.

ZwickRoell-Prüfsysteme in der Forschung

Ein weiteres Beispiel für Materialprüfungen im 3D-Druck-Umfeld liegt im Forschungsbereich: Das Institut für Werkstoffe und Anwendungstechnik Tuttlingen (IWAT) der HS Furtwangen kooperiert im Rahmen von Forschungs- und Abschlussarbeiten seit Jahren mit ZwickRoell. Zur Bestimmung der Festigkeitskennwerte additiv gefertigter Metall-Bauteile führt das Institut mechanische Versuche im Prüflabor von ZwickRoell durch.

Ein Versuch fand im Rahmen der Masterthesis „Konstruktion und additive Herstellung verschiedener poröser Bauteile sowie deren Charakterisierung durch röntgencomputertomografische Methoden“ statt und diente der Bestimmung der mechanischen Eigenschaften additiv hergestellter poröser Bauteile unter uniaxialer Druckbelastung. Die Untersuchung erfolgte an porösen Titanbauteilen mit unterschiedlichen Gitterstrukturen. Jeweils drei Proben wurden geprüft, um die mechanischen Eigenschaften mit einer AllroundLine-Prüfmaschine (F_max = 250 kN) zu bestimmen.

3D-Druck auf dem Mond

Um künftig bemannte Raumfahrtmissionen zum Mars zu schicken, arbeiten die Raumfahrtorganisationen an der Planung einer Mondstation als Ausgangsbasis. Der Transport von Material auf den Mond ist sehr aufwendig und teuer. Daher hat die Firma Lithoz GmbH aus Wien als Spezialist für technische Keramik im 3D-Druck, für die Europäische Weltraumorganisation (ESA) ein Verfahren erarbeitet, wie sich aus synthetischem Mondstaub per 3D-Drucker in LCM-Technologie (Lithography-based Ceramic Manufacturing-Technology) Baumaterial, Ersatzteile und Werkzeuge herstellen lassen. „Unsere LCM-Technologie ist – wenn man auf die Qualität der Ergebnisse Wert legt – führend im keramischen LCM-3D-Druck“, sagt Johannes Homa, Geschäftsführer von Lithoz.

Am Bau einer Basisstation auf dem Mond könnte auch ZwickRoell Anteil haben, denn für die Lithoz GmbH prüfte das Unternehmen Proben aus synthetischem Regolith – künstlich hergestelltem Mondstaub. Das Material enthält Metalle wie Aluminium und Eisen, und lässt sich additiv ähnlich verarbeiten wie Metallpulver. Die Fragestellung lautete: Eignet sich das Material, um künftig per 3D-Drucker auf dem Mond die benötigten Werkstoffe herzustellen? Dazu untersuchten ZwickRoell-Prüfingenieure die im Sinter-Verfahren bei 1100 °C und 1200 °C hergestellten Proben. Diese wurden Druck- und 3-Punkt-Biegeversuchen unterzogen, um ihre besonderen Eigenschaften in puncto Belastbarkeit zu ermitteln. Zuvor war das Material bereits in Wien geprüft worden. „Eine zweite Untersuchung ist in solchen Fällen immer sehr hilfreich und unterstützt uns, das Verfahren stetig zu verbessern“, erklärt Homa und ergänzt: „Von früheren Mondmissionen existieren auf der Erde rund 400 Kilogramm Mondstaub. Dieser ist aber durch die Luft und Feuchtigkeit inzwischen kontaminiert. Auch hat er seine chemische Reaktivität verloren und ist somit unbrauchbar für heutige Versuchszwecke.“ Der künstlich hergestellte Regolith besitze jedoch „zu fast 100 Prozent identische chemische, mechanische oder technische Eigenschaften und Charakteristika wie echter Mondstaub.“

„Für uns stellten die Materialtests mit Regolith ein Novum dar, die wir entsprechend der speziellen Kundenanforderungen aber sehr gut durchführen konnten“, sagt Tobias Ebner, verantwortlicher Werkstoffingenieur für die Probenprüfungen des Projektes „Moon Dust“. „Die Bewertung der Prüfergebnisse, ob und inwieweit sich das Material für den Bau einer Mondstation eignet oder es mitunter angepasst werden muss, das obliegt jetzt unserem Auftraggeber.“ Aktuell werden die Ergebnisse und Erkenntnisse der zweitägigen Qualitätstests von Lithoz analysiert, mit der ESA besprochen und anschließend veröffentlicht.

Prüfung für die Raumfahrt-Industrie bei -269 °C

Auch in anderen Bereichen der Raumfahrt ist der 3D-Druck interessant, denn additive Fertigungsverfahren, wie beispielsweise das Laserschmelzen bietet einen herausragenden Gestaltungsfreiraum und damit großes Potential zur Gewichtsminimierung. Durch die in der Raumfahrt üblichen geringen Stückzahlen lässt sich dieses Fertigungsverfahren auch kosteneffizient einsetzen.

KRP Mechatec mit Sitz in Garching bei München setzt beispielsweise zur Prüfung additiv gefertigter Aluminium- und Titanstrukturen bei tiefen Temperaturen bis zu -269 °C eine Prüfmaschine von ZwickRoell ein. Das Unternehmen hat sich auf die Entwicklung und Analyse von Materialien und Strukturen für die Luft- und Raumfahrtindustrie spezialisiert. In der Raumfahrt kommt flüssiger Wasserstoff mit einer Temperatur von -253 °C in Verbindung mit flüssigem Sauerstoff als Treibstoff zum Einsatz. Die Tanks sind bei diesen tiefen Temperaturen sehr hohen Belastungen ausgesetzt. Ziel des Versuchsprogrammes bei KRP ist es, das Leichtbau-Potenzial der additiven Fertigung auch in dieser speziellen Anwendung zu nutzen. Dazu fertigt das Unternehmen aus den verwendeten Aluminium- und Titanlegierungen Materialproben und testet sie in einem individuellen Prüfaufbau mit einer Material-Prüfmaschine AllroundLine Z250SW (F_max = 250 kN) von ZwickRoell.

Dafür hat KRP eine spezielle Vorrichtung entwickelt, die verschiedene Materialtests wie Zug-, Druck-, Schub- und Lochaufweitungs-Versuche in einem Kryostat erlaubt. In diesem werden Proben und Aufbau mittels Flüssigstickstoff auf -196 °C oder auch mit flüssigem Helium auf -269 °C abgekühlt und unter dieser Temperatur getestet. „Als deutscher Hersteller bekommen wir von ZwickRoell den Support, den wir für die Durchführung unserer speziellen Testaufgaben benötigen. Die Prüfmaschine und die Software ermöglichen einen flexiblen Einsatz im Forschungs- und Entwicklungsumfeld.“, sagt Dr.-Ing. Christoph Zauner, Technischer Leiter bei KRP Mechatec.