Günstiger leitend Hochtemperatur-Supraleiter kommen bald aus dem 3D-Drucker

Am Lehrstuhl Digitale Additive Production (DAP) der RWTH Aachen schmieden eine Prozesskette, die es erlaubt, Hochtemperatur-Supraleiter zu drucken ...

Technologisch etabliert sind derzeit vor allem sogenannte Niedertemperatur-Supraleiter, sagen die Experten vom DAP. Doch Hochtemperatur-Supraleiter-Material wie Yttrium-Barium-Kupferoxid (YBCO) kann für günstigere Betriebsbedingungen sorgen, weil solche Supraleiter relativ einfach mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden können, wie man erfährt. Ihre Nutzung ist bisher jedoch auf wenige, stark vorgegebene Bauformen beschränkt. Das soll sich in einiger Zeit ändern. Denn additive Fertigungsverfahren könnten grundsätzlich neue Freiheitsgrade in der Bauteilgestaltung eröffnen, heißt es aus Aachen. Gleichzeitig stellten die komplexen materialphysikalischen Eigenschaften von YBCO aber hohe Anforderungen an die gesamte Prozesskette. Denn YBCO ist eine spröde – also recht zerbrechliche – Oxidkeramik mit komplexer, von Sauerstoff abhängiger Kristallstruktur. Ändern sich die chemischen Bedingungen im Material und die Sauerstoffordnung im Kristallgitter, beeinträchtigt das die supraleitenden Eigenschaften, heißt es weiter.

Das wird am Lehrstuhl DAP in puncto Supraleiterdruck gemacht:

Deshalb hat man das Problem, dass bei der additiven Fertigung die üblicherweise wirkenden, stark ausgeprägten Temperaturgradienten und atmosphärischen Bedingungen die Gefügeausbildung und die Porosität des YBCO-Materials unmittelbar beeinflussen. Vor diesem Hintergrund untersuchen die Forscher nun systematisch das Zusammenspiel von Material, Prozessführung und Geometrie. Als additive Fertigungsmethode hat man das pulverbettbasierte Laserstrahlschmelzen (PBF-LB) gewählt. Dazu entwickelt man nun eine prozesstaugliche Pulveraufbereitung und eine angepasste Fertigungsstrategie. Beides habe zum Ziel, die für die Supraleitung relevante Phasenstruktur (Y-123 genannt) entlang der Prozesskette zu erhalten. Und im Rahmen der Entwicklung des geeigneten YBCO-Pulvers (aus Yttriumoxid, Kupferoxid und Bariumcarbonat) stellten die Experten die Partikelgröße, Fließfähigkeit sowie chemische Zusammensetzung gezielt ein, heißt es weiter. So sollen gleichmäßige Pulverschichten mit reproduzierbarer Qualität im PBF-LB erreichbar werden. Darauf aufbauend, wurden zentrale Verfahrensparameter schon so angepasst, dass eine ausreichende Partikelanbindung stattfindet und zugleich die thermische Belastung auf die für die Supraleitung entscheidenden Phasenstruktur begrenzt bleibt.

Erste additiv gefertigte Probekörper aus YBCO gibt es auch schon

Auch konnten bereits erste Probekörper durch eine zweifache Belichtung mit einem defokussierten Laserstrahl in reproduzierbarer Geometrie gefertigt werden (Bild 1). Funktionstechnisch zeigten sie zunächst jedoch keine nachweisbaren supraleitenden Eigenschaften. Phasenanalysen offenbarten Veränderungen im Gefüge, sowie einen reduzierten Anteil der supraleitenden Y-123-Phase. Durch eine gezielte Wärmebehandlung unter Sauerstoffeinwirkung ließen sich die supraleitenden Eigenschaften aber wiederherstellen. Die Proben zeigten danna uch den charakteristischen Widerstandsabfall bei tiefen Temperaturen, sowie ausgeprägte diamagnetische Effekte im sogenannten Meißner-Versuch (Bild 2). Das beweise, dass die im additiven Prozess induzierten Gefügeänderungen nicht irreversibel sind, sondern korrigiert werden könnten. Der systematische Vergleich von Pulver, dem per Laser gefertigten Zustand und der wärmebehandelten Struktur lasse eine klare Zuordnung der Phasenentwicklung und ihrer Auswirkungen auf die supraleitenden Eigenschaften entlang der additiven Prozesskette zu. Damit wird nachvollziehbar, unter welchen Bedingungen sich supraleitende Eigenschaften erhalten oder wiederherstellen lassen. Leider zeigte sich dabei, dass die mechanische Stabilität der additiv gefertigten Strukturen einen begrenzenden Faktor für die Anwendung darstellt – ein zentraler Engpass für die Überführung in belastbare Bauteilanwendungen, wie die Forscher zugeben müssen.

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