Sandvik Additive Manufacturing hat den ersten 3D-gedruckten Diamant-Verbundwerkstoff produziert, der zwar nicht funkelt, aber glänzende Aussichten für eine große Vielfalt von industriellen Anwendungen bietet. Bei dem neuen Verfahren kann dieses extrem harte Material per 3D-Druck in sehr komplexen Formen hergestellt werden. Dies revolutioniert die Art und Weise, wie die Industrie das härteste Material des Planeten einsetzt.
Nichts in der Natur ist härter als ein Diamant. Dieser ist eine wichtige Komponente bei einer Reihe von verschleißfesten Werkzeugen in der Industrie, von Bergbau- und Bohrarbeiten über maschinelle Bearbeitung bis hin zu medizinischen Implantaten. Man ist zwar bereits seit dem Jahr 1953 in der Lage, synthetische Diamanten herzustellen, doch aufgrund der hohen Schwierigkeit und Kompliziertheit der Verarbeitung ist es nahezu unmöglich, komplexe Formen zu schaffen. Bisher konnte man bei der Herstellung von extrem harten Diamantmaterialien lediglich einige wenige geometrische Figuren umsetzen. Doch durch den Einsatz von additiver Fertigung und eines maßgeschneiderten, proprietären Nachbearbeitungsverfahrens ist Sandvik nun in der Lage, Diamant-Verbundwerkstoffe per 3D-Druck in praktisch jeder Form zu produzieren.
Der von Sandvik hergestellte Diamant unterscheidet sich von einem natürlichen oder synthetischen Diamanten darin, dass er ein Verbundwerkstoff ist. Der Großteil des Materials besteht aus Diamant, doch um die erforderliche Druckfähigkeit und Dichtigkeit zu erreichen, ist eine Zementierung in einem extrem harten Matrixmaterial erforderlich. Dabei werden die wichtigsten physischen Eigenschaften eines reinen Diamanten gewahrt.
Die Möglichkeiten sind enorm
Indem Sandvik von additiver Fertigung Gebrauch macht, können Diamant-Komponenten nun anwendungsfertig in sehr komplexen Formen hergestellt werden, ohne dass eine weitere Bearbeitung erforderlich ist. Dies ermöglicht den Einsatz in Anwendungen, die bisher als undenkbar galten.
„In der Vergangenheit war das 3D-Drucken von Diamanten etwas, das niemand von uns je für möglich gehalten hätte“, so Anders Ohlsson, Delivery Manager für Sandvik Additive Manufacturing. „Wir fangen gerade erst an, die vielen Möglichkeiten und Anwendungen zu begreifen, die dieser Durchbruch haben könnte.“
„Als wir das Potential erkannten, fragten wir uns, welche weiteren Möglichkeiten der 3D-Druck von komplexen Formen mit einem Material bietet, das dreimal steifer ist als Metall, eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Kupfer aufweist, über eine Wärmeausdehnung ähnlich der von Invar verfügt – und eine Dichtigkeit bietet, die der von Aluminium nahekommt. Aufgrund dieser Eigenschaften sind wir davon überzeugt, dass wir bereits in wenigen Jahren diesen Diamant-Verbundwerkstoff in neuen fortschrittlichen Industrieanwendungen sehen werden, die von Verschleißteilen bis hin zu Raumfahrtprogrammen reichen.“
Das 3D-Druckverfahren
„Es kommt ein extrem fortschrittliches additives Herstellungsverfahren zum Einsatz“, erklärt Mikael Schuisky, Leiter für Forschung und Entwicklung und Head of Operations bei Sandvik Additive Manufacturing. „Wir drucken mit einem Gemisch aus Diamantpulver und Polymer und einer Methode namens Stereolithografie, bei der komplexe Teile Schicht für Schicht mithilfe von ultraviolettem Licht hergestellt werden.
Doch der Schritt, der nach dem 3D-Druck erfolgt, ist noch anspruchsvoller. Hierfür hat Sandvik eine eigene proprietäre Nachbearbeitungsmethode entwickelt, die es ermöglicht, die Eigenschaften des extrem harten Diamant-Verbundwerkstoffes exakt zu erreichen. „Dieser Schritt war äußerst kompliziert. Doch nach umfangreicher Forschung und Entwicklung und mehreren Tests erreichten wir die Kontrolle über den Prozess und stellten den ersten 3D-gedruckten Diamant-Verbundwerkstoff her.“
„Es war unglaublich zu sehen, was wir erreichen können, wenn wir die führende Werkstofftechnologie-Expertise von Sandvik mit unseren enormen Möglichkeiten bei der additiven Herstellung und Nachbearbeitung miteinander kombinieren“, berichtet Mikael Schuisky. „Wir verfügen über einige der weltweit führenden Experten sowohl für Materialien als auch für additive Herstellung. Davon können in einem Fall wie diesem zahlreiche Branchen auf dem Globus profitieren, indem sie die Möglichkeit erhalten, Diamanten in Anwendungen und Formen zu verwenden, die zuvor nie für möglich gehalten wurden.“
„Anstatt komplett neue Materialien zu entwickeln, strebt man derzeit in der Branche danach, vorhandene Materialien oftmals radikal umzustrukturieren“, erklärt Annika Borgenstam, Professorin der Fakultät für Materialwissenschaft und Technik des KTH Royal Institute of Technology in Stockholm.
„Revolutionäre innovative Verfahren wie die additive Fertigung eröffnen völlig neue Methoden zur Nutzung der gleichen Materialarten, die es heute gibt, indem die Eigenschaften integriert werden, die wir brauchen.“
Nachhaltig mit überragenden Eigenschaften
Ein weiterer wichtiger Vorteil der additiven Herstellung besteht darin, dass sie ermöglicht, Materialabfall zu reduzieren, d. h., die Technologie wird nachhaltiger. Das Diamantpulver in Sandviks Verfahren wird nach dem Druck aus dem Polymer der Mischung extrahiert und kann dann recycelt und in einem neuen Druckauftrag verwendet werden. Der Diamant-Verbundwerkstoff wies in Tests einen extrem starken Härtegrad, eine außergewöhnlich hohe Wärmeleitfähigkeit, eine geringe Dichte, überragende Wäremeausdehnungseigenschaften und eine fantastische Korrosionsbeständigkeit auf.
„Wir sind nun dank additiver Herstellung in der Lage, starke Diamant-Verbundwerkstoffe in äußerst komplexen Formen zu schaffen. Dies wird die Art und Weise verändern, wie in der Industrie dieses Material eingesetzt wird. Derzeit liegt die einzige Grenze bei der Form und Nutzung dieses extrem harten Materials in der Vorstellungskraft des Designers“, schließt Mikael Schuisky ab.
