Die Zukunft des Hochleistungssystems liegt in der 3D-Drucktechnologie, die nun einen Meilenstein hat: Die Hiroshima-Universität hat erstmals erfolgreich Wolframkarbid mit Kobalt mittels modernster metallischer 3D-Druckverfahren hergestellt. Diese Entwicklung könnte die Kunst und Weise nutzen, wie extrem harte Materialien in der Industrie grundlegend verändert werden.
Traditionell galt Wolframkarbid als eines der härtesten, widerstandsfähigsten Materialien in der Werkzeugtechnik. Es wird in der Automobil-, Luftfahrt- und Bergbaubranche eingesetzt, wo jede Sekunde und jedes Materialeinsparpotenzial bedeutet. Bis vor Kurzem war die Herstellung dieser Komponente jedoch auf aufwändige, energieintensive Verfahren wie Sintern und Hochdruckpressen beschränkt, die hohe Kosten und Masseverluste verursachten.
Mit dem Fortschritt in der additiven Fertigung ist es jetzt möglich, hochpräzise, maßgeschneiderte Wolframkarbidteile direkt aus digitalen Modellen zu erstellen. Die Innovation der Hiroshima-Universität basiert auf einer direkten 3D-Druckmethode, die es erlaubt, komplexe Geometrien mit extrem hoher Härte zu produzieren – alles bei deutlich geringeren Produktionskosten und Materialverbrauch.
Neue Drucktechnik bringt bedeutende Vorteile
Der Kern dieser neuen Technik ist die Verwendung eines laserbasierten Metall-Tellers anstelle herkömmlicher Pulverbett-Schmelzverfahren. Anstelle des Erhitzens von Pulver wird hier ein spezielles, thermisch verformbares Metall-„Filament“ genutzt, das durch Laserstrahlen präzise Geschichtet wird. Dabei werden kobaltreiche Legierungen in Kombination mit Tungstenkarbid-Laminaten verarbeitet, was für eine einmalige Balance zwischen Härte, Zähigkeit und Formbarkeit sorgt.
Ein zentraler Vorteil dieser Methode besteht darin, dass der Herstellungsprozess gruppierter und energiesparender abläuft. Durch die punktuelle Erwärmung mit Laser können einzelne Schichten effizient erzeugt werden, während die Temperatur nur lokal angehoben wird, um das Material zu formen. Es entsteht eine hochspezialisierte Verbindung zwischen den einzelnen Schichten, die die mechanische Stabilität erheblich erhöht.
Materialeigenschaften und Leistungsfähigkeit
Die aus diesem Verfahren gewonnenen Tungstenkarbid-Komponenten erreichen eine Härte von bis zu 1400 HV, was sie für die anspruchsvollsten Anwendungen prädestiniert. Diese Härte ist vergleichbar mit von Saphir oder Diamanten auf der Mohs-Skala. Dank der präzisen Schichtung und der kontrollierten Verarbeitung werden Materialporositäten minimiert, was die Korrosionsbeständigkeit und die Lebensdauer erheblich erhöht.
Die interne Struktur dieser 3D-gedruckten Teile weist kaum Rissbildungen oder Spannungen auf, was auf die gleichmäßige Verteilung der Legierungsbestandteile zurückzuführen ist. Die intelligente Steuerung des Druckprozesses ermöglicht es, die Materialeigenschaften an die jeweiligen Einsatzanforderungen anzupassen – von hoher Härte bis hin zu bruchfesten Modulen für spezielle mechanische Belastungen.
Schnellere Produktion, geringere Kosten
Mit herkömmlichen Verfahren könnten die Herstellungskosten für komplexe Wolframkarbidteile mehrere tausend Euro pro Stück betragen. Die neue additive Technik reduziert diese Kosten durch:
- Weniger Materialverschwendung: Material wird nur dort eingesetzt, wo es benötigt wird.
- Kurze Fertigungszeiten: Digital steuerte Produktion in wenigen Stunden statt Tagen.
- Reduzierte Energiekosten: Laserbasiertes Erhitzen ist gezeltet und energieeffizient.
Ein weiterer Pluspunkt ist die Fähigkeit, kombinierte Geometrien ohne zusätzliche Bearbeitung zu erzeugen, was konventionelle Bedingungen bei der Werkzeuggestaltung umgeht.
Praktische Anwendungsbereiche
Diese Innovation eröffnet neue Perspektiven in mehreren Branchen. In der Luft- und Raumfahrt ermöglichen leichte, extrem robuste Komponenten, die die Leistungsfähigkeit von Triebwerken und Strukturteilen verbessern. Im Bergbau kann man nun präzise hergestellte Schneid- und Bohrwerkzeuge einsetzen, die deutlich langlebiger sind als bisherige Lösungen. Die Automobilindustrie besteht aus maßgeschneiderten, hochfesteringeschränkten Verschleißteilen für die Fertigung und Reparatur.
Auch in der Medizintechnik ist die Technik vielversprechend, etwa für hochpräzise, verschleißfeste Implantate oder Instrumente, die insbesondere mechanischen Belastungen standhalten müssen. Die Flexibilität des Verfahrens erlaubt, komplexe innere und leichte Strukturen direkt in den Fertigungsprozess zu integrieren, was auf herkömmlichem Weg kaum möglich ist.
Herausforderungen und zukünftige Entwicklung
Trotz der revolutionären Ansätze stehen noch Herausforderungen auf dem Weg zur breiten Marktreife. In diesem Fall Optimierung der Materialzusammensetzung für noch höhere Verfahrensstabilität sowie die Skalierung des Verfahrens für größere Komponenten. Zudem erfordern die komplexen thermischen Spannungen kontrollierte Nachbearbeitungsschritte, um eine endgültige Maßgenauigkeit sicherzustellen.
Forschungsprojekte konzentrieren sich aktuell darauf, Mehrmaterial-Varianten zu entwickeln, die eine noch breitere Palette an mechanischen Eigenschaften ermöglichen. Ebenso wird an der Integration von Sensoren und Funktionselementen in die gedruckten Strukturen gearbeitet, um smarte, hochfunktionale Bauteile zu schaffen.
