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Sandvik entwickelt erstes 3D-gedrucktes Diamantverbundmaterial

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Sandvik Additive Manufacturing hat das erste 3D-gedruckte Diamantverbundmaterial entwickelt. Obwohl dieser Diamant nicht funkelt, ist er perfekt für eine Vielzahl von industriellen Anwendungen. Mit dem neuen Verfahren kann dieses superharte Material nun in hochkomplexen Formen in 3D gedruckt werden und so die Art und Weise revolutionieren, wie die Industrie das härteste natürliche Material der Welt verwendet.

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Der Diamantverbund wird auf der RAPID + TCT in Detroit vom 21. bis 23. Mai 2019, Nordamerikas führender Veranstaltung für Additive Manufacturing, vorgestellt.

Diamant ist härter als alles andere in der Natur. Es ist eine Schlüsselkomponente in einer Vielzahl von verschleißfesten Werkzeugen in der Industrie, vom Bergbau und Bohren über die Bearbeitung bis hin zu medizinischen Implantaten. Seit 1953 ist es möglich, synthetischen Diamanten herzustellen, aber da er so hart und kompliziert zu bearbeiten ist, ist es fast unmöglich, komplexe Formen zu bilden.

Bislang konnten bei der Herstellung von superharten Diamantmaterialien nur wenige einfache geometrische Konfigurationen gebildet werden. Durch den Einsatz von additiver Fertigung und einer maßgeschneiderten, proprietären Nachbearbeitungsmethode ist es Sandvik gelungen, Diamantverbundwerkstoffe in 3D zu bedrucken, die sich in nahezu jede Form bringen lassen.

Historisch gesehen war der 3D-Druck in Diamant etwas, das niemand von uns für realisierbar hielt

Der Unterschied zwischen Sandviks Diamant und natürlichem oder synthetischem Diamant besteht darin, dass es sich bei Sandviks um ein Verbundmaterial handelt. Der größte Teil des Materials ist Diamant, aber um es bedruckbar und dicht zu machen, muss es in einem sehr harten Matrixmaterial zementiert werden, wobei die wichtigsten physikalischen Eigenschaften des reinen Diamanten erhalten bleiben.

Die Möglichkeiten sind enorm

Durch den Einsatz von Additive Manufacturing bei Sandvik können Diamantkomponenten nun anwendungsfertig in sehr komplexen Formen ohne weitere Bearbeitung erstellt werden. Dies eröffnet die Möglichkeit, es in Anwendungen einzusetzen, die bisher für unmöglich gehalten wurden.

"Historisch gesehen war der 3D-Druck in Diamant etwas, das niemand von uns für realisierbar hielt", erklärte Anders Ohlsson, Delivery Manager bei Sandvik Additive Manufacturing. "Schon jetzt beginnen wir gerade erst, die Möglichkeiten und Anwendungen zu erfassen, die dieser Durchbruch haben könnte.

"Als wir sein Potenzial sahen, begannen wir uns zu fragen, was sonst noch möglich wäre, wenn wir komplexe Formen in einem Material drucken würden, das dreimal steifer als Stahl ist, mit einer Wärmeleitfähigkeit, die höher ist als die von Kupfer, der Wärmeausdehnung in der Nähe von Invar - und mit einer Dichte, die der von Aluminium nahe kommt. Diese Vorteile lassen uns glauben, dass Sie dieses Diamantverbundmaterial in nur wenigen Jahren in neuen fortgeschrittenen industriellen Anwendungen von Verschleißteilen bis hin zu Weltraumprogrammen sehen werden."

Der 3D-Druckprozess

"Der verwendete additive Herstellungsprozess ist sehr fortschrittlich", erklärt Mikael Schuisky, Head of R&D and Operations bei Sandvik Additive Manufacturing. "Wir drucken in einer Aufschlämmung aus Diamantpulver und Polymer mit einem Verfahren namens Stereolithographie, bei dem komplexe Teile Schicht für Schicht mit ultraviolettem Licht hergestellt werden.

Der Schritt nach dem 3D-Druck ist jedoch noch anspruchsvoller. Hier hat Sandvik ein maßgeschneidertes, proprietäres Nachbearbeitungsverfahren entwickelt, das es ermöglicht, die genauen Eigenschaften des superharten Diamantverbunds zu erreichen.

Sandviks 3D bedruckter Diamantverbund ist eine echte Innovation. Es bedeutet, dass wir damit beginnen können, Diamant in Anwendungen und Formen zu verwenden, die bisher nicht möglich waren

"Dieser Schritt war extrem kompliziert. Nach umfangreichen F&E-Aufwendungen und mehreren Versuchen gelang es uns jedoch, die Kontrolle über den Prozess zu übernehmen und das erste bedruckte 3D-Diamantverbundmaterial herzustellen."

"Es war unglaublich zu sehen, was wir erreichen können, wenn wir Sandviks führende Expertise in der Materialtechnologie mit unseren starken Fähigkeiten in der additiven Fertigung und der Nachbearbeitung kombinieren", sagte Mikael Schuisky. "Wir verfügen über einige der weltweit führenden Experten sowohl in der Werkstoff- als auch in der additiven Fertigung, was in einem solchen Fall vielen Industrien auf der ganzen Welt zugute kommen kann und es ermöglicht, Diamant in bisher unerreichten Anwendungen und Formen einzusetzen."

"Anstatt tatsächlich völlig neue Materialien zu entwickeln, geht es heute in der Branche vor allem um die oft radikale Umstrukturierung bestehender Materialien", sagt Annika Borgenstam, Professorin am Department of Materials Science and Engineering am KTH Royal Institute of Technology in Stockholm.

"Der Einsatz revolutionärer neuer Verfahren wie der additiven Fertigung wird völlig neue Wege eröffnen, um die gleichen Materialien wie heute zu verwenden, indem wir die Eigenschaften einbauen, die wir brauchen."

"Sandviks 3D bedruckter Diamantverbund ist eine echte Innovation. Das bedeutet, dass wir anfangen können, Diamant in Anwendungen und Formen zu verwenden, die bisher nicht möglich waren", sagt Susanne Norgren, außerordentliche Professorin für Angewandte Materialwissenschaft an der Universität Uppsala. "Stell dir vor, was es der Industrie antun könnte, wenn es möglich ist, alles zu drucken, in jeder Form - in Diamant."

Stellen Sie sich vor, was es für die Industrie tun könnte, wenn es möglich ist, alles zu drucken, in jeder Form - in Diamant

Nachhaltig mit überlegenen Eigenschaften

Ein weiterer wichtiger Vorteil der additiven Fertigung ist, dass sie es Ingenieuren ermöglicht, Materialabfälle zu minimieren und die Technologie nachhaltiger zu gestalten. Das Diamantpulver im Sandvik-Prozess kann nach dem Druck aus dem Polymer in der Aufschlämmung extrahiert, dann recycelt und in einem anderen Druckauftrag wiederverwendet werden.

Der Diamantverbund wurde getestet und weist eine extrem hohe Härte, eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit, eine geringe Dichte, eine sehr gute thermische Ausdehnung und eine fantastische Korrosionsbeständigkeit auf.

"Wir haben jetzt die Möglichkeit, durch additive Fertigung starke Diamantverbunde in sehr komplexen Formen herzustellen, die die Art und Weise, wie die Industrie dieses Material einsetzen kann, grundlegend verändern werden. Die einzige Grenze, wie dieses superharte Material geformt und verwendet werden kann, liegt ab sofort bei der Phantasie des Designers", schloss Mikael Schuisky.

Fakten

Diamant ist härter als alles andere in der Natur.

Der 3D-gedruckte Diamantverbund von Sandvik wurde mit dem additiven Herstellungsverfahren Stereolithographie hergestellt, bei dem komplexe Teile Schicht für Schicht mit ultraviolettem Licht hergestellt werden.

Dabei wird eine Aufschlämmung verwendet, die Diamantpulver und Polymer enthält.

Nach dem Druck ist der nächste Schritt im Prozess noch anspruchsvoller. Dies ist der entscheidende Schritt, bei dem Sandvik ein maßgeschneidertes, proprietäres Nachbearbeitungsverfahren entwickelt hat, das in der Lage ist, die genauen Eigenschaften des Diamantverbunds zu erzeugen.

Überschüssige Druckschlämme kann zur Reduzierung von Abfall wiederverwendet werden - und das Diamantpulver kann auch aus der Aufschlämmung extrahiert und anschließend recycelt werden, was das Verfahren nachhaltiger macht.

Sandvik hat ein Patent für das Diamantverbundverfahren angemeldet.

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