Er hat gar nicht gebohrt! Gradiert poröse Strukturen aus dem Metall-3D-Drucker

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Franke GmbH

Urma AG Werkzeugfabrik

Wie erreicht man Permeabilität in einem Metallbauteil, ohne es im Nachhinein zu bohren oder mit Filtern auszustatten? Die Antwort heißt einmal mehr 3D-Druck ...

Forscher am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT) haben eine Methode entwickelt, mit der sich metallische Werkstoffe additiv so verarbeiten lassen, dass sie lokal permeabel (durchlässig) oder dicht sind. Die Permeabilität kann dabei stufenlos stärker oder schwächer werden (gradiert). Das gelinge mit hoher Präzision, reproduzierbar und in einem einzigen Fertigungsschritt. Die neu entwickelte Methode basiert auf dem bewährten Verfahren Laser Powder Bed Fusion (LPBF), bei dem Metallpulver schichtweise aufgetragen und per Laser selektiv umgeschmolzen wird. Bisher lag der Fokus darauf, möglichst dichte und belastbare Bauteile herzustellen. Die Forscher lassen aber dabei nun gezielt lokale Porositäten zu. Das erreichen sie zum Beispiel durch veränderte Prozessparameter. Heraus kommen vollständig metallische Komponenten, die aber, wie bereits gesagt, lokal permeabel sind – zum Beispiel für Gase oder Flüssigkeiten. Dabei besitzen sie aber weiterhin die benötigte mechanische Integrität, wie es weiter heißt. Der Trick ist, durch das LPBF-Verfahren innerhalb eines Bauteils unterschiedlich dichte Bereiche zu kombinieren. Die Übergänge könnten entweder trennscharf oder eben gradiert gefertigt werden.

Permeable Komponenten ohne Nacharbeitsaufwand

Es gibt zwar quasi schon klassische Metallschäume oder Gewebestrukturen, die ähnliche Funktionen ins Feld führen, doch diese müssen meist separat hergestellt und in Bauteile implementiert werden, wie die Forscher anmerken. Das kostet Zeit, ist hinsichtlich des Gestaltungsfreiraums begrenzt und führt aufgrund von Naht- und Verbindungsstellen zur Änderung von physikalischen Eigenschaften des Bauteils – beispielsweise zur Steigerung von thermischen und elektrischen Widerständen. Die Fraunhofer-Lösung integriert aber poröse Zonen direkt in das Bauteil. Eine Nachbearbeitung sei nicht nötig. Und – typisch für die additive Fertigung – es können auch komplexe Geometrien mit innenliegenden Strukturen aufgebaut werden. So wird, wie die Forscher es ausdrücken, Permeabilität zu einem gestaltbaren Bauteilmerkmal.

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Bauteile sollen bei Wasserstoffgewinnung helfen

Ein zentrales Einsatzgebiet ist, wie die Forscher wissen lassen, die Wasserstofftechnologie. Konkret gesagt, heißt das Einsatzgebiet Elektrolyseur. Diese Systeme bestehen nämlich aus komplex aufgebauten Zellstapeln mit verschiedenen Funktionsschichten. Das ILT prüfe derzeit, ob sich diese Schichten direkt additiv fertigen ließen inklusive gezielt durchlässiger Bereiche. Das Ziel heißt, die Zahl der Einzelteile zu reduzieren, um so die Effizienz der Elektrolyse, den Materialeinsatz und die Produktionskosten zu verbessern. Die Experten sind, wie betont wird, aber auch schon mit Endanwendern aus anderen Einsatzgebieten in Kontakt, die etwa aus dem Bereich Turbomaschinenbau, Werkzeugbau, Wärmetauscher, Filterbranche sowie aus der Chemie kommen. Das breite Spektrum an möglichen Anwendungsfällen unterstreiche nicht zuletzt die Relevanz der am ILT entwickelten Möglichkeit.

In wenigen Wochen kann man gezielte Permeabilität erleben

Wie solche Bauteile in der Praxis aussehen, zeigt das Fraunhofer ILT in München auf der Laser World of Photonics 2025 vom 24. bis 27. Juni in Halle A3, anhand eines anschaulichen Demonstrators. In einem transparenten Wasserbecken (siehe Bildergalerie) steht dazu ein metallisches Institutslogo mit integrierten porösen Zonen. Per Knopfdruck werden die Zonen mit Luft durchströmt. Die Permeabilität, lässt sich so nicht nur sehen, sondern auch erleben.

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