Additive-Fertigung6K UniMelt®: Hochentropiewerkstoffe in Pulverform
6K, ein amerikanischer Entwickler von Mikrowellenplasmatechnologie für die Herstellung innovativer Materialien, gab auf der formnext 2019 die erfolgreiche Entwicklung und Fertigung von sphärischen Pulvern aus Hochentropie-Legierungen (HEA) bekannt, wie sie in herkömmlichen Schmelzlegierungs- und Verdüsungsverfahren bislang nicht herstellbar waren.
6K geht über das hinaus, was mit konventioneller Chemie möglich ist, indem es die Physik der Plasmachemie ausnutzt. Eine Kombination aus hoher Hitze, hochreaktiven Ionen und besonders gestalteten chemischen Vorgängen schafft die perfekte Umgebung, um Prozesse in bisher unerreichten Zeiträumen ablaufen zu lassen.
In Zusammenarbeit mit Castheon, einem in den USA ansässigen, führenden Anbieter von F&E-Dienstleistungen und umfassenden, innovativen Lösungen für die Additive Fertigung, hat 6K das weltweit erste HEA-Teil im 3D-Druck nach dem LPBF-Verfahren (Laser Powder Bed Fusion; selektives Laserschmelzen) hergestellt. Onyx HEA1000 und mehr als fünfzehn weitere Metalllegierungen, Keramikpulver und -teile waren auf der formnext 2019 erstmals zu sehen.
Weltweit erstes 3D-gedrucktes Hochentropie-Legierungs-Demoteil.
Über traditionelle Grenzen hinaus
„Unser HEA1000-Demoteil ist ein Paradebeispiel für das Potenzial unserer mikrowellenbasierten UniMelt-Plasmatechnologie“, erklärte Dr. Aaron Bent, CEO von 6K. „Durch die Bereitstellung von Legierungen, die sich nach den heutigen Schmelzlegierungs- und Atomisierungsverfahren bislang nicht herstellen ließen, eröffnen wir AM-Entwicklern völlig neue Möglichkeiten. Denn unsere Technologie bietet eine skalierbare und kostengünstige Methode zur Großserienfertigung von Teilen aus nicht eutektischen Legierungen. Und das ist erst die Spitze des Eisbergs.“
HEA1000 ist ein sphärisches HEA-Versuchspulver, das für den Einsatz in kommerziellen Konsolidierungsprozessen wie der Additiven Fertigung, dem HIP (heißisostatisches Pressen) oder dem Pulverschmieden gedacht ist. HEA-Legierungen eröffnen grenzenlose Möglichkeiten für die perfekte Mischung von Materialkomponenten mit maßgeschneiderten Eigenschaften, wie hoher Festigkeit in Verbindung mit hervorragender Dehnungsfähigkeit, höherem Stärke-zu-Gewicht-Verhältnis oder hoher Stabilität in einem größeren Temperaturbereich. Aufgrund der Einschränkungen bei der Herstellung von Legierungen bei Schmelzprozessen war der Einsatz von HEA-Legierungen bei der Großserienfertigung bislang nahezu unmöglich. Onyx HEA erweitert die Möglichkeiten für den Einsatz von Teilen mit höherer Performance, u. a. in Flugzeugtriebwerken, Flugzeugzellen, industriellen und medizinischen Anwendungen.
Bei der UniMelt®-Technologie wird ein zuvor auf das geforderte Partikelgewicht zerkleinertes Ausgangsmaterial durch eine Plasmakammer fallen gelassen. Dort schmilzt es schlagartig auf, bildet eine perfekte Kugelform aus und erstarrt anschließend im Fallturm.
Unmögliches geschafft
Für die Präsentation auf der Formnext entschied sich 6K für eine anspruchsvolle Fe-basierte Legierung mit nahezu gleichen Anteilen von Chrom (Cr), Kupfer (Cu), Kobalt (Co) und Nickel (Ni). Diese Zusammensetzung wurde eingehend untersucht, doch bislang noch nie in Form von sphärischem Pulver gezeigt oder im Laserdruck verarbeitet.
Bei diesem Projekt hat 6K eng mit Castheon zusammengearbeitet, einem Druckdienstleister für Speziallegierungen. „Wir haben exotische Legierungen für den 3D-Druck von Antriebsteilen für Luft- und Raumfahrzeuge getestet, die als nicht druckbar angesehen werden“, so Dr. Youping Gao, CEO von Castheon. „Jetzt haben wir erstmals ein Teil aus einer benutzerdefinierten HEA-Legierung gedruckt, die Bestandteile mit extrem hohen Schmelztemperaturen hat. Bis heute hat noch kein anderer Anbieter außer 6K Chrom und Kupfer in einer Legierung mit fast gleichen Konzentrationen für die Additive Fertigung verwendet. Das wäre mit einer eutektischen Schmelzlegierung einfach nicht möglich.“
Von UniMelt verarbeitete Pulver sind hoch kugelförmig, haben keine Satelliten, keine innere Porosität, hohe Fließfähigkeit, hohe Klopfdichte und eine maßgeschneiderte Partikelgrößenverteilung.
In weniger als zwei Sekunden
Dies ist die typische Zeit, in der ein Material im 6K-System fertiggestellt wird. 1/100.000stel der Zeit der traditionellen chemischen oder Festkörper-Produktionstechnologien, die heute verfügbar sind. 6K steht für 6.000 Grad, wodurch sich die 6K-Technologie von allen anderen Technologien unterscheidet. 6K (genau genommen 5.778° C) ist die Betriebstemperatur von UniMelt, dem weltweit einzigen Mikrowellenplasmasystem, und auch die Temperatur an der Sonnenoberfläche.
Herkömmliche chemische und Festkörper-Produktionsprozesse für fortschrittliche Materialien sind mehrstufig, chargenweise, mit Verunreinigungen und Ausbeuteverlusten bei jedem Schritt. Oft dauert es Stunden oder sogar Tage, bis sie abgeschlossen sind. Der UniMelt®-Prozess von 6K ist ein kontinuierlicher Durchlauf, ein einziger Schritt von Anfang bis Ende. In weniger als zwei Sekunden.
Mit seiner Technologie zur Rückgewinnung von Metallen kann 6K gezielt die Pulvergrößenverteilung für den jeweils notwendigen AM-Prozess ins Visier nehmen, einschließlich LPBF (Laser Powder Bed Fusion; selektives Laserschmelzen), EBM (Electron Beam Melting; Elektronenstrahlschmelzen), DED (Direct Energy Deposition; direkte Energieabscheidung), Binder-Jetting oder MIM (Metal Injection Moulding; Metallpulverspritzguss). Der UniMelt-Prozess hat eine Ausbeute von fast 100 % – also eine um das drei- bis vierfach höhere Ausbeute als die Gasatomisierung. Im ersten Quartal 2020 wird 6K in Pittsburgh eine neue, hochmoderne Anlage für die Herstellung von Pulvern für die Additive Fertigung in Betrieb nehmen und kooperiert derzeit mit Kunden zur Vorqualifizierung von Onyx In718, das im zweiten Quartal 2020 im Handel erhältlich sein soll. Im dritten Quartal 2020 will 6K Additive Ti6Al4V auf den Markt bringen.
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