Beim 3D-Druck von Metallen können Stützstrukturen manchmal bis zu 50 % des Rohlingvolumens ausmachen. Zusammen mit fehlerhaften Bauteilen können diese hochwertigen Metallabfälle aufgrund der schwierigen Rückgewinnung nicht in den Produktionskreislauf zurückgeführt werden. Ein Forscherteam der Russischen Nationalen Forschungsuniversität für Technologie (NUST MISIS) hat ein Ultraschallzerstäubungsverfahren entwickelt, das Altmetall mit hochfrequenten Vibrationen von 50.000 Mal pro Sekunde in hochsphärische Pulver mit einem Sphärizitätskoeffizienten von 0,90 (1 = ideale Kugel) „zerrüttelt". Dies eröffnet einen neuen Weg für das geschlossene Recycling von Metallabfällen aus der additiven Fertigung. Die Forschungsergebnisse wurden im JCR-Q1-Journal Journal of Manufacturing and Materials Processing veröffentlicht.

Das Problem des „wertvollen Mülls" beim 3D-Druck

Die additive Fertigung von Metallen (d. h. der 3D-Druck von Metallen) ist eine der zentralen Fertigungstechnologien in Bereichen wie Luft- und Raumfahrt, medizinische Implantate und hochwertige Formen. Diese Technologie hat jedoch ein „Luxusproblem" – sie erzeugt große Mengen hochwertiger Metallabfälle.

Beim 3D-Druck von Metallen können nicht aufgeschmolzene Metallpulver nach dem Sieben in den Arbeitskreislauf zurückgeführt werden. Es gibt jedoch zwei Arten von Abfällen, die nicht direkt recycelt werden können:

Stützstrukturen: Sie sind beim Druck komplexer Teile erforderlich und können in manchen Fällen bis zu 50 % des Rohlingvolumens ausmachen.

Fehlerhafte Bauteile: Ausschussteile aus fehlgeschlagenen Druckvorgängen.

Diese Abfälle haben die exakt gleiche Zusammensetzung wie das ursprüngliche Pulver und sind äußerst wertvoll – insbesondere bei Materialien wie Titanlegierungen, Nickelbasis-Superlegierungen und sogar Edelmetallen wie Platin. Aufgrund der komplexen Rückgewinnungsprozesse wurden sie jedoch lange Zeit entweder entsorgt oder minderwertig weiterverwendet, anstatt in den hochwertigen Produktionskreislauf zurückzukehren.

Vier technologische Durchbrüche des Ultraschallzerstäubungsverfahrens

Das Team des Labors für additive Fertigung der NUST MISIS, geleitet von den Doktoranden und leitenden Ingenieuren Leonid Fedorenko und Olga Bashmakova, hat das Ultraschallzerstäubungsverfahren entwickelt, um Metallabfälle direkt in hochwertige Druckpulver umzuwandeln.

Kernmechanismus: Lichtbogenschmelzen + 50.000 Ultraschallvibrationen pro Sekunde

Das Kernprinzip der Technologie gliedert sich in drei Schritte:

Lichtbogenschmelzen: Das Altmetall wird unter Einwirkung eines Lichtbogens geschmolzen und bildet einen flüssigen Metallstrom.

Ultraschallzerstäubung: Der flüssige Metallstrom fließt nach unten auf eine Oberfläche, die mit bis zu 50.000 Vibrationen pro Sekunde schwingt.

Sofortige Erstarrung: Die geschmolzenen Tröpfchen erstarren sofort in einer Argon-Schutzgasatmosphäre und bilden winzige, kugelförmige Pulverpartikel.

Der Schlüssel zu diesem Prozess liegt darin, dass die hochfrequenten Ultraschallvibrationen die Oberflächenspannung des flüssigen Metalls brechen, es in gleichmäßige, winzige Tröpfchen „zerrütteln", die in der Schutzgasatmosphäre schnell abkühlen und ihre Form fixieren.

Sprunghafte Verbesserung der Sphärizität: Von „Kartoffeln" zu „Murmeln"

Die Sphärizität ist ein Kernindikator für die Qualität von Metallpulvern – je höher die Sphärizität, desto besser die Fließfähigkeit des Pulvers und die Packungsdichte beim Auftragen.

Die experimentellen Daten des Forschungsteams sind bemerkenswert:

Sphärizitätskoeffizient des recycelten Pulvers: gesteigert auf 0,90 (1 = ideale Kugel)

Vergleichsvorteil: Während Pulver, die mit herkömmlichen Gaszerstäubungsverfahren hergestellt werden, oft unregelmäßige Formen aufweisen, können mit der Ultraschallzerstäubungstechnologie Pulver mit hoher Sphärizität erzielt werden, was theoretisch zur Verbesserung der Dichte und der mechanischen Eigenschaften der gedruckten Teile beiträgt.

Olga Bashmakova merkt an: „Die Sphärizität der recycelten Pulverpartikel hat sich deutlich verbessert. Je höher der Sphärizitätskoeffizient des Pulvermaterials ist, desto besser sind seine rheologischen Eigenschaften und die Packungsdichte beim Auftragen in Selektivlaserschmelzanlagen."

Geschlossener Prozesskreislauf: Abfall → Pulver → Druck → Abfall

Das ultimative Ziel dieser Technologie ist es, den Produktionskreislauf der additiven Fertigung von Metallen zu schließen. Durch das Ultraschallzerstäubungsverfahren können Stützstrukturen und fehlerhafte Bauteile, die zuvor nicht in den Produktionskreislauf zurückgeführt werden konnten, in hochwertige, kugelförmige Pulver umgewandelt und wieder in den 3D-Druckprozess eingespeist werden.

Dies bedeutet, dass ein vollständiger Kreislauf „Abfall → Pulver → Druck → Abfall" aufgebaut werden könnte, der das Ressourcennutzungsmodell der additiven Fertigung von Metallen grundlegend verändert.

Wissenschaftliche Anerkennung: Veröffentlichung in einem Q1-Journal, Förderung durch die Russische Wissenschaftsstiftung

Die Studie wurde im JCR-Q1-Journal Journal of Manufacturing and Materials Processing veröffentlicht und von der Russischen Wissenschaftsstiftung gefördert (Projektnummer: 25-79-10304).

Von gängigen Legierungen zu Edelmetallen

Erste Phase: Validierung an gängigen Legierungen

Laut Stanislav Chernyshikhin, Leiter des Labors für additive Fertigung der NUST MISIS, wird die Technologie derzeit an gängigen Legierungen validiert, um die Wirksamkeit des vorgeschlagenen Ansatzes zu belegen.

Strategischer Schwerpunkt: Additive Fertigung von Edelmetallen

Das Forschungsteam stellt klar, dass die neue Methode besonders vielversprechend für das Recycling von Bauteilen aus der additiven Fertigung von Edelmetallen (wie Platin) sein wird.

Edelmetalle wie Platin sind teuer und knapp und spielen in Bereichen wie Luft- und Raumfahrt, Medizintechnik und Chemie eine unersetzliche Rolle. Wenn durch das Ultraschallzerstäubungsverfahren ein nahezu 100%iges Recycling von Edelmetallmaterialien erreicht werden könnte, würden die Produktkosten in hochwertigen Fertigungsbereichen drastisch gesenkt.

Industrialisierungspotenzial: Kostensenkung und Effizienzsteigerung

Kugelförmige Metallpulver sind das Kernrohmaterial der additiven Fertigung. Ihre Partikelgröße, Sphärizität und Fließfähigkeit beeinflussen direkt die Qualität der gedruckten Teile. Die skalierte Anwendung dieser Technologie könnte Folgendes ermöglichen:

Senkung der Rohmaterialkosten für die additive Fertigung von Metallen

Förderung der Industrialisierung von Abfallrecycling und Wiederverwendung

Verringerung der Abhängigkeit von primären Metallressourcen

Nachwuchsförderung: Vom Labor zur Industrie

Alexander Komissarov, Direktor der Hochschule für Spitzentechnik „Materialwissenschaft, additive und interdisziplinäre Technologien" der NUST MISIS, ergänzt: „Die Erforschung additiver Technologien ist einer der Schwerpunkte der NUST MISIS. Studierende arbeiten ab dem ersten Studienjahr an realen Geräten, beteiligen sich an Forschungsarbeiten und engagieren sich in Projekten führender nationaler Unternehmensgruppen."

Dieses integrierte Modell „Labor – Lehre – Industrie" bietet eine kontinuierliche Versorgung mit Talenten für die weitere Entwicklung und industrielle Umsetzung dieser Technologie.

Neudefinition der „Kostenrechnung" der additiven Fertigung von Metallen

Der tiefere Wert dieser Technologie liegt in der Neubewertung der Lebenszykluskosten der additiven Fertigung von Metallen. Bisher wurden Stützstrukturen und fehlerhafte Bauteile als „versunkene Kosten" betrachtet – teures Metallpulver wurde eingesetzt, konnte aber nicht zurückgewonnen werden. Das Ultraschallzerstäubungsverfahren verleiht diesen Abfällen ein „zweites Leben" und führt sie mit einer Qualität, die der des ursprünglichen Pulvers nahekommt, in den Produktionskreislauf zurück.

In einer Zeit, in der globale Schlüsselmetallressourcen zunehmend knapp werden und die Sicherheit der Lieferketten immer mehr Beachtung findet, bietet diese Technologie der Branche der additiven Fertigung von Metallen einen „Schlüssel" – zur Öffnung der Tür für das geschlossene Recycling hochwertiger Metallabfälle.

Wie das Team der NUST MISIS zeigt: Wenn die 50.000 Ultraschallvibrationen pro Sekunde nicht nur die Oberflächenspannung des flüssigen Metalls, sondern auch das traditionelle lineare Ressourcenmodell „Abbau – Herstellung – Entsorgung" „zerrütteln", bewegt sich die additive Fertigung von Metallen von einer „teuren Präzisionskunst" hin zu einer „kreislauffähigen grünen Fertigung".