Bayerische Metallwerke patentieren neue Technologie zur Herstellung von Wolframlegierungen für den 3D-Druck

Das in Deutschland ansässige Metallverarbeitungsunternehmen Bayerische Metallwerke GmbH, eine Tochtergesellschaft von Wolfram Industrie, hat ein neues Materialherstellungsverfahren speziell für Wolframlegierungen entwickelt und patentiert.

Das Besondere an dem Verfahren ist, dass hochkonzentrierte Wolfram-Vorlegierungsmischungen (WNiFe und WNiCu) in Pulverform hergestellt werden können, sodass die Materialien sowohl in 3D-Druck- als auch in Beschichtungsprozessen verwendet werden können. Basierend auf einer zweijährigen Entwicklungsphase geht das Unternehmen davon aus, dass sein neues Verfahren den Weg für komplexere Teilegeometrien aus Wolfram ebnen und neue Optionen für Anwendungen wie die Werkzeugherstellung und 3D-gedruckte Strahlungsabschirmung bieten wird.

„Das Besondere an unserer Wolfram-Nickel-Eisen-Legierung ist, dass wir sie in Form eines vorlegierten Pulvers erhalten“, erklärt Dr. Hany Gobran, Forschungs- und Entwicklungsleiter bei den Bayerischen Metallwerken. „Das eignet sich als Ausgangsprodukt für 3D-Druck- und Beschichtungsprozesse.“

Wolframlegierungen: nützlich, aber hartnäckig

Wolframlegierungen sind für ihre hervorragende Korrosionsbeständigkeit und hohe Wärmeleitfähigkeit bekannt und eignen sich daher perfekt für den Kokillenguss von Aluminiumteilen. Mit 19,3 g/cm ist das Schwermetall zudem äußerst dicht³ . Mit einer Dichte, die mit der von Gold vergleichbar ist, wird Wolfram häufig in der Werkzeugherstellung und zur Abschirmung von Alpha- und Gammastrahlung im Gesundheitswesen eingesetzt.

„Aufgrund seiner Beständigkeit gegen Korrosion und Erosion durch geschmolzene Metalle sowie seiner hervorragenden Wärmeleitfähigkeit ist Wolfram das Material der Wahl im Bereich Aluminiumguss“, sagt Nabil Gdoura, Forschungs- und Entwicklungsingenieur bei den Bayerischen Metallwerken. „Die sehr hohe Dichte in reiner Form macht es auch zu einer guten Alternative zu schädlichem Blei, das beispielsweise in der Medizin immer noch zur Strahlenabschirmung eingesetzt wird.“

Leider hat Wolfram auch den höchsten Schmelzpunkt aller chemischen Elemente (3.400 °C) und eine Mohs-Härte von 7,5, was die Verarbeitung äußerst schwierig macht. Daher werden Wolframteile mit komplexeren Geometrien wie Kurven und Bohrungen aufgrund der einfachen Handhabung und 3D-Druckbarkeit oft einfach aus Warmarbeitswerkzeugstahl hergestellt.

Herstellung von Wolframlegierungen für den 3D-Druck

Nach Angaben der Bayerischen Metallwerke wurden bisher alle kommerziell erhältlichen Wolfram-3D-Drucklegierungen mit relativ hohen Konzentrationen an Eisen und Nickel hergestellt, oft ohne jegliche Vorlegierung. Da die Schmelzpunkte dieser Metalle deutlich niedriger sind als die von Wolfram, kommt es bei additiven Hochtemperaturverfahren wie der Pulverbettschmelzung häufig zu deren unkontrollierbarer Verdampfung.

Das neue Verfahren der Bayerischen Metallwerke geht dieses Problem an, indem es die Pulvermischung vor der Verarbeitung vorlegiert. Durch die Kombination aller drei Elemente als mehrphasiges Material in jedem einzelnen Pulverpartikel können die Zusammensetzung und Verteilung der endgültigen Legierung sehr genau gesteuert werden. Dadurch kann das Metall bei hohen Temperaturen verarbeitet werden, ohne dass Eisen, Nickel oder Kupfer verloren gehen.

Das Unternehmen gibt an, dass sein neues Verfahren in der Lage ist, Legierungen mit 80–98,5 % (Gewicht) Wolfram, 0,1–15 % Nickel und 0,1–10 % Eisen und/oder Kupfer herzustellen, je nach gewünschter Anwendung. Mit Dichten von 17 – 18,8 g/cm3 sind die Legierungsmaterialien für die herkömmlichen Anwendungsfälle von Wolfram im Aluminiumguss, im Werkzeugbau und in der Strahlenabschirmung mehr als geeignet. Darüber hinaus ermöglicht das patentierte Verfahren auch die Bestimmung des Fließverhaltens und der Korngröße der Pulverpartikel.

„Je höher der Wolframanteil im Endprodukt ist, desto widerstandsfähiger ist es gegenüber geschmolzenem Aluminium und desto besser ist seine Wärmeleitfähigkeit“, schlussfolgert Gobran. „Spielen hingegen gute Duktilität und mechanische Bearbeitbarkeit eine größere Rolle, kann auch der Wolframanteil in der Legierung entsprechend reduziert werden. Die Zusammensetzung kann daher immer an den konkreten Anwendungsfall und die jeweilige Komplexität der Form angepasst werden.“

Pulverherstellung für die industrielle additive Fertigung

Obwohl im Hintergrund, ist der Bereich der Pulverproduktion absolut entscheidend für den Erfolg der industriellen additiven Fertigung. Anfang des Jahres gab Pyrogenesis, ein Spezialist für Plasmazerstäubungstechnologie, den erfolgreichen Test seiner Additive Manufacturing NexGen-Pulverproduktionslinie bekannt. Nach der strategischen Entscheidung, die kommerzielle Produktion zu verschieben, konnte das in Montreal ansässige Unternehmen Verbesserungen umsetzen und hat nun die Chargenkonsistenz seiner Produktionslinie getestet.

An anderer Stelle hat das kanadische Bergbau- und Metallunternehmen Rio Tinto kürzlich ein neues 3D-Druckpulver für Stahl mithilfe der Wasserzerstäubungstechnologie entwickelt. Während allgemein davon ausgegangen wird, dass nur kostspielige Gas- und Plasmazerstäuber in der Lage sind, Pulver in Industriequalität herzustellen, hat das neue Stahlpulver des Unternehmens gezeigt, dass die Wasserzerstäubung ein kostengünstigerer Weg zur Herstellung von 3D-Druckpulvern ist.

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Featured image shows tungsten alloy powders produced by Bayerische Metallwerke. Photo via Bayerische Metallwerke.

Kubi Sertoglu hat einen Abschluss in Maschinenbau und verbindet eine Affinität zum Schreiben mit einem technischen Hintergrund, um die neuesten Nachrichten und Rezensionen zur additiven Fertigung zu liefern.