Titan unter Druck 3D-Druck – mehr Designfreiheit für Titanbauteile

Gemeinsam mit der Element 22 GmbH und der Scuddy GmbH & Co. KG. haben Wissenschaftler der FH Kiel die additive Fertigung von Titanbauteilen analysiert und optimiert.

Titan ist bekanntlich sehr robust, relativ leicht und hält auch hohe Temperaturen aus. Deswegen wird es in der Luft-, Raumfahrt und der Schifffahrtsindustrie ebenso verwendet wie in der Medizintechnik. Um kleine Stückzahlen oder komplexe Geometrien wirtschaftlich zu produzieren, werden Titanbauteile mittlerweile immer häufiger per 3D-Drucker hergestellt, wie die Kieler sagen. Doch Für seine Elektroroller druckt Scuddy immerhin seit Jahren ausgewählte Bauteile – meist aus Kunststoff, im Prototypenbereich, aber auch aus Aluminium. Im Rahmen des Forschungsprojektes „FATiG“ testeten die Ingenieure von Scuddy neue Materialien auf ihre Druckbarkeit hin. Man wollte dabei herausfinden, ob das Verfahren langfristig auch für den 3D-Druck von Titanbauteilen nutzbar ist. Für die Belastungstests entschied sich das Kieler Unternehmen für ein Zahnriemenrad aus Titan. Dieses Rad treibt das Hinterrad des Elektrorollers an und ist ständigen Erschütterungen und Schlägen ausgesetzt. Und bisher gab es keine Informationen, was der additive Fertigungsprozess mit dem Material anstellt und sich die Bauteile unter dynamischer Beanspruchung verhalten. Doch nun hat sich das geändert.

Gedruckte Titan-Zahnriemenräder treiben Roller schon an

Den 3D-Druck des Zahnriemenrads aus Titan verantwortete der zweite Industriepartner, die Element 22 GmbH. Für die Herstellung des Zahnriemenrads nutzte man das Verfahren Cold Metal Fusion. Dabei trägt ein 3D-Drucker ein Gemisch aus Metallpulver und Bindemittel in dünnen Schichten auf. Ein Laser schmilzt das Bindemittel und verleiht dem Metallpulver erste Festigkeit. Nach dem Druckvorgang kommt das noch brüchige Zahnriemenrad in einen Sinterofen, in dem sich die Metallpartikel unter Hitze und Vakuum zu einer stabilen Bauteil verbinden. Auf das gemeinsame Forschungsprojekt blickt das Unternehmen positiv zurück. So konnte per Cold Metal Fusion mittlerweile Anwender mit diesen Bauteilen versorgt werden. Auch im Bereich des Sinterns eignete sich das Unternehmen neues Wissen an und kann jetzt neuartige Bauteil-Geometrien anbieten.

Neue Software sagt Lebensdauer gedruckter Teile voraus

An der FH Kiel unterzog man im Rahmen einer Promotion die 3D-gedruckten Titanbauteile diversen Stresstests, die bis zum Bruch der ersten Speiche getrieben wurden. In der Wissenschaft könne man durchaus einzelne Bauteile intensiv und lange auf ihre Belastbarkeit prüfen, aber für die Industrie sei das wirtschaftlich natürlich nicht sinnvoll. Dort braucht man eine verlässliche Berechnungssoftware, um Produkte auf Herz und Nieren zu prüfen und letztendlich deren Lebensdauer vorhersagen zu können. Um das zu ermöglichen, führte man die Ergebnisse der Belastungstests und die dabei gesammelten Materialdaten in einer selbst entwickelten Software zusammen. Kombiniert mit einer Finite-Elemente-Analyse für die Modellierung physikalischer Phänomene kann man nun die Lebensdauer des Titanbauteils vorhersagen, wie betont wird. Künftig sei es also möglich, rechnerisch die Lebensdauer von Bauteilen zu bestimmen, die mittels Cold Metal Fusion hergestellt werden.

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