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04/02/2024

Maßgeschneiderte Formgedächtnislegierungen durch Ultraschall?

@BiTWerk - Biologische Transformation technischer Werkstoffe

Formgedächtnislegierungen sind Metalle, die sich auch nach einer starken Verformung an ihre ursprüngliche Struktur „erinnern“ und in ihre alte Form zurückkehren können. Eine Forschungsgruppe der Universität Kassel testet nun Möglichkeiten, diese Technik mit Ultraschall noch zu erweitern. Gelingt es, könnte das Anwendungen in der Medizintechnik oder im Maschinenbau verbessern.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Instituts für Werkstofftechnik, Fachgebiet Metallische Werkstoffe, um Prof. Dr.-Ing. Thomas Niendorf und des Fachgebiets Trennende und Fügende Fertigungsverfahren unter Leitung von Prof. Dr.-Ing. Prof. h.c. Stefan Böhm untersuchen in einem von der DFG geförderten Projekt den Einfluss von Ultraschall auf so genannte Cobalt-Nickel-Gallium-Hochtemperatur-Formgedächtnislegierungen während der additiven Fertigung (3D-Druck). Ziel des Projektes ist das direkte Maßschneidern der Formgedächtniseigenschaften, da bereits bekannt ist, dass Ultraschall die Materialschmelze in Bewegung versetzt und eine gezielte Kontrolle der Erstarrung ermöglichen könnte.

Hochtemperatur-Formgedächtnislegierungen eignen sich in besonderem Maße als material- und kosteneffiziente Sensoren und Aktoren in Hochtemperaturanwendungen. Ein attraktives Legierungssystem stellt dabei die Cobalt-Nickel-Gallium-Hochtemperatur-Formgedächtnislegierung, (kurz: Co-Ni-Ga-HT-FGL) dar, welche sich durch vergleichsweise geringe Legierungskosten und sehr gute funktionale Eigenschaften bis zu Temperaturen von 500°C auszeichnet. Bereits in zahlreichen Vorstudien und Veröffentlichungen der Fachgebiete Metallische Werkstoffe und Trennende und Fügende Fertigungsverfahren konnte gezeigt werden, dass sich dieses Legierungssystem gut verarbeiten lässt und geeignete Mikrostrukturen hervorbringen kann. Zudem ist bereits aus anderen Legierungssystemen bekannt, dass Ultraschallwellen während der additiven Verarbeitung davon abweichend eine stark unterschiedliche Mikrostruktur hervorbringen können und den Weg zu dreidimensional gradierten Strukturen ebnen.

Projektbeteiligte vor der Laser-Pulver-Auftragsschweißanlage am Fachgebiet Trennende und Fügende Fertigungsverfahren; von links: Florian Stredak, Marius Horn, Prof. Dr.-Ing. Thomas Niendorf, Dr.-Ing. Niklas Sommer, Prof. Dr.-Ing. Prof. h.c. Stefan BöhmImage: tff
Projektbeteiligte vor der Laser-Pulver-Auftragsschweißanlage am Fachgebiet Trennende und Fügende Fertigungsverfahren; von links: Florian Stredak, Marius Horn, Prof. Dr.-Ing. Thomas Niendorf, Dr.-Ing. Niklas Sommer, Prof. Dr.-Ing. Prof. h.c. Stefan Böhm

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Instituts für Werkstofftechnik, Fachgebiet Metallische Werkstoffe, um Prof. Dr.-Ing. Thomas Niendorf und des Fachgebiets Trennende und Fügende Fertigungsverfahren unter Leitung von Prof. Dr.-Ing. Prof. h.c. Stefan Böhm untersuchen in einem von der DFG geförderten Projekt den Einfluss von Ultraschall auf so genannte Cobalt-Nickel-Gallium-Hochtemperatur-Formgedächtnislegierungen während der additiven Fertigung (3D-Druck). Ziel des Projektes ist das direkte Maßschneidern der Formgedächtniseigenschaften, da bereits bekannt ist, dass Ultraschall die Materialschmelze in Bewegung versetzt und eine gezielte Kontrolle der Erstarrung ermöglichen könnte.

Hochtemperatur-Formgedächtnislegierungen eignen sich in besonderem Maße als material- und kosteneffiziente Sensoren und Aktoren in Hochtemperaturanwendungen. Ein attraktives Legierungssystem stellt dabei die Cobalt-Nickel-Gallium-Hochtemperatur-Formgedächtnislegierung, (kurz: Co-Ni-Ga-HT-FGL) dar, welche sich durch vergleichsweise geringe Legierungskosten und sehr gute funktionale Eigenschaften bis zu Temperaturen von 500°C auszeichnet. Bereits in zahlreichen Vorstudien und Veröffentlichungen der Fachgebiete Metallische Werkstoffe und Trennende und Fügende Fertigungsverfahren konnte gezeigt werden, dass sich dieses Legierungssystem gut verarbeiten lässt und geeignete Mikrostrukturen hervorbringen kann. Zudem ist bereits aus anderen Legierungssystemen bekannt, dass Ultraschallwellen während der additiven Verarbeitung davon abweichend eine stark unterschiedliche Mikrostruktur hervorbringen können und den Weg zu dreidimensional gradierten Strukturen ebnen.

Pulverisiertes Gussmaterial wird zu würfelförmigen Proben verarbeitet, wobei während dem Druck ein Ultraschall ein- und ausgeschaltet wird, was die Mikrostruktur/Korngröße beeinflusst, anschließend werden Zug- und Druckproben entnommen und mechanisch getestet. Image: IfW
Pulverisiertes Gussmaterial wird zu würfelförmigen Proben verarbeitet, wobei während dem Druck ein Ultraschall ein- und ausgeschaltet wird, was die Mikrostruktur/Korngröße beeinflusst, anschließend werden Zug- und Druckproben entnommen und mechanisch getestet.

Im Rahmen des von April 2023 bis März 2026 laufenden Projekts „Funktional gradierte Co-Ni-Ga- Hochtemperaturformgedächtnislegierungen hergestellt mittels ultraschallangeregtem 3D-LaserPulver-Auftragschweißen“, das mit rund 700.000 Euro von der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG gefördert wird, soll das Laser-Pulver-Auftragsschweißen dazu genutzt werden, bisherige Limitierungen in der Verarbeitung der Legierung zu überwinden und durch Ultraschall gezielte Mikrostrukturen in gewünschten Bereichen einzustellen, sodass ein Maßschneidern der vorliegenden FGLs möglich wird.

Formgedächtnislegierungen gehören zu den Forschungsschwerpunkten von Prof. Dr.-Ing. Thomas Niendorf, Leiter des Fachgebiets Metallische Werkstoffe am Institut für Werkstofftechnik. FGLs sind Legierungssysteme, welche eine reversible diffusionslose Phasenumwandlung (martensitische Umwandlung) meist unter Aufbringung einer Spannung oder Temperaturänderung zeigen. Nach einer Verformung kehren sie bei Erwärmung in ihre alte Form zurück, was ihnen ihren Namen verleiht. Anwendungsgebiete sind beispielsweise Verbindungselemente für Rohre, Stents und Zahnspangendrähte in der Medizintechnik oder Aktoren in der Automobil-, Luft- und Raumfahrttechnik. 

Das Projekt wird im Rahmen des Forschungsclusters „BiTWerk – Biologische Transformation technischer Werkstoffe“ durchgeführt.

www.uni-kassel.de/go/bitwerk