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Ziel der Entwicklung

Der Fortschritt in Raketen- und Computertechnologie, insbesondere durch wiederverwendbare Raketenstufen und Miniaturisierung sensorischer Systeme, ermöglicht die Umsetzung komplexer Aufgaben mit Konstellationen aus vielen kleinen Satelliten. Der Markt für Kleinsatelliten (bis 500 kg) wächst bis 2030 von 3,3 Milliarden Dollar (2020) auf 13,7 Milliarden Dollar. Ein zentraler Treiber ist das Ziel, global mobiles Internet vor allem in abgelegenen Regionen, durch Satellitenkonstellationen aus tausenden Satelliten bereitzustellen. Diese Technologie kann die Internetanbindung in bisher unerschlossenen Gebieten verbessern, sofern die Kosten niedrig bleiben. Eine schnelle Internetverbindung ist essenziell für die wirtschaftliche Entwicklung besonders bisher noch nicht ausreichend versorgter Regionen, weshalb dieses Vorhaben von hoher Bedeutung ist.

Um Signallaufzeiten gering zu halten und Weltraummüll zu vermeiden, positionieren sich Satelliten in niedrigen Erdumlaufbahnen. Dort ist jedoch eine effiziente Antriebstechnologie nötig, um gegen den Luftwiderstand und für Kollisionsvermeidung zu steuern. Effektive elektrische Triebwerke, wie Halltruster, die mit Solarenergie betrieben werden, kommen zum Einsatz. Diese benötigen nur geringe Stützmasse, erfordern aber dennoch die Lagerung von Edelgasen wie Krypton oder Xenon, die in kleinen Satelliten schwer unterzubringen sind, da die Tanks während der Lebensdauer (ca. 5 Jahre) nicht nachgefüllt werden können. Treibstofftanks müssen hohen Anforderungen genügen: mechanische Belastbarkeit, Korrosionsbeständigkeit, Dichtigkeit, Strahlungsresistenz und geringes Gewicht. Sie bestehen häufig aus Titanlegierungen oder CFK-Verbundstoffen. Um Transportkosten zu senken, ist eine möglichst geringe Leermasse essenziell. Zudem reduziert eine niedrigere Masse den Treibstoffverbrauch beim Start und damit die Schadstoffemissionen in großen Höhen.

Hinsichtlich der Tankgeometrie müssen dabei widersprüchliche Anforderungen erfüllt werden: Kugelförmige Tanks sind ideal für Druckbehälter, passen aber meist nicht in den flachen Raum der Satelliten. Quaderförmige Tanks nutzen den Raum besser, sind aber schwerer und erfordern stärkere Wände. Moderne Ansätze nutzen Topologieoptimierung und additive Fertigung, um maßgeschneiderte, leichte Tanks zu produzieren, die das Volumen optimal ausnutzen. Materialien wie titanbasierte Legierungen und besonders Bulk Amorphous Metals (BMGs) bieten hohe Festigkeit bei geringem Gewicht. BMGs, auch massive metallische Gläser genannt, sind isotrop, haben hohe Oberflächenqualität, gute Tieftemperatureigenschaften und sind korrosionsbeständig. Durch ihre höhere Dichte im Vergleich zu Titanlegierungen können sie kleinere Wandstärken bei gleicher Festigkeit erreichen, was die Tankmasse weiter reduziert.

Die Bauteilgröße ist durch die Bauplattformen im additiven Verfahren begrenzt, aber große Strukturen (bis zu 800x400x500 mm) sind machbar. BMGs bieten außerdem Potenzial für den Einsatz in mobilen Brennstoffzellen, z.B. für Wasserstoffspeicher in Drohnen, die längere Betriebszeiten ermöglichen. Die Miniaturisierung solcher Tanks ist komplex, aber bei Anwendungen wie Transportdrohnen, Rettungssystemen oder Inspektionen von Solarparks vorteilhaft. Ein weiterer vielversprechender Einsatzbereich ist die Entwicklung von Festkörpergelenken aus amorphen Metallen. Diese ermöglichen komplexe Bewegungen mit wenigen Bauteilen, sind verschleißfrei, weil sie keine Reibflächen benötigen, und funktionieren im Vakuum ohne Schmierung – ideal für Raumfahrt und Luftfahrt. Aufgrund ihrer elastischen Eigenschaften eignen sie sich für Greifer, Space Pointing, adaptive Tragflächen oder Rotorsysteme. Sie bieten größere Verstellwege bei geringem Kraftaufwand, was sie für hochpräzise Steuerungssysteme attraktiv macht.

Die Untersuchung des Einsatz von BMGs und additive Fertigung für beide Anwendungen, Tanks und Gelenke, auf Basis von BMGs, hatte zusammengefast zum Ziel in beiden Anwendungsrichtungen durch höhere Festigkeiten und niedrigere Wandstärken deutliche Gewichtsersparnisse im Vergleich zum Stand der Technik zu erzielen.

Vorteile und Lösungen

Für eine erfolgreiche Entwicklung leichter und dennoch hochbelastbarer Bauteile, hergestellt aus amorphem Metall mittels des Powder-Bed-Fusion-Laser Based-Verfahrens (PBF-LB), war die Berücksichtigung zahlreicher Faktoren entlang der Prozesskette entscheidend. Die Qualität der gefertigten Bauteile hing von Prozessparametern wie Scangeschwindigkeit, Laserleistung, Spurabstand, Fokusdurchmesser sowie möglichen negativen Einflussfaktoren wie Fremdpulverrückstände, und Restsauerstoffgehalt in der Schutzgasatmosphäre während der additiven Fertigung, aber auch schon im Pulverwerkstoff ab.

Besonders bei der Verarbeitung von BMGs ist es essenziell, diese Parameter genau zu kontrollieren, um hohe mechanischen Festigkeiten zu realisieren. Es erfolgten daher zum einen Untersuchungen hinsichtlich der Zusammenhänge zwischen den Prozessparametern und resultierenden mechanischen Eigenschaften, zum anderen Untersuchungen hinsichtlich des Auftretens von Sauerstoffeinbringung und anderen schädlichen Verunreinigungen entlang der gesamten Prozesskette, ausgehend von den angelieferten Pulvern. Zur Charakterisierung des pulverförmigen Ausgangsmaterials wurden Methoden wie RFA (elementare Zusammensetzung), Laser-Beugung (Partikelgrößenverteilung), REM (Partikelform) eingesetzt. Diese Analysen sollten bisher unzureichend untersuchte Zusammenhänge zwischen Materialeigenschaften und Prozessparametern etablieren, um auch die Replikation des Prozesses auf anderen Anlagen zu ermöglichen.

Darauf aufbauend werden Spurversuche durchgeführt, bei denen kleine Materialmengen bei unterschiedlichen Scangeschwindigkeiten, Laserleistungen und Fokusdurchmessern verarbeitet werden. Die resultierenden Spuren wurden mikroskopisch auf Homogenität, Durchgängigkeit und Dichtheit untersucht. Aus den vielversprechend erscheinenden Parametern wurden dann die nächsten Schritte der Optimierung abgeleitet, bei denen feine Bulk-Strukturen mit variierenden Spurabständen hergestellt werden. Die Qualität dieser Strukturen wurde mittels optischer Bewertung, Computertomographie sowie Kriterien wie Dichte und Porosität beurteilt. Zudem wurde das Auftreten von Restkristallinität durch Röntgen-Diffraktion (XRD), sowie indirekt durch Härtewerte (Vickers) kontrolliert und der Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften untersucht. Es wurden darauf aufbauend spezielle Schraffurmuster entwickelt, um durch Wiederaufschmelzung (Re-Melting-Scanstrategie) zur Erhöhung der relativen Dichte und niedrige Abkühlzeiten des Schmelzbads die Restkristallinität zu verringern. Dabei wurden spezielle Muster mit großen Abstand zwischen den einzelnen Schmelzspuren eingesetzt, um die Erwärmung und Sauerstoffaufnahme zu minimieren.

Anschließend erfolgten die Optimierung der Konturfahrten, um die Oberflächenqualität (Rauheit, Formabweichungen) zu verbessern, was für die mechanischen Eigenschaften bei relativ harten und spröden Material besonders wichtig ist. Die Oberflächenqualität wurde mit Hilfe der Laser-Scanning-Mikroskopie beurteilt. Letztlich konnte durch den gezielten lokalen Einsatz spezialisierter Scan-Strategien für dünnwandige bzw. dickwandige Bauteilabschnitte eine optimale Kombination mechanischer Eigenschaften erreicht werden. Während für die dünnwandigen Bauteilabschnitte eine Scan-Strategie mit besonders hoher resultierender Oberflächenqualität optimal war, wurde für dickwandigere Abschnitte eine Scanstrategie mit größerem Schwerpunkt auf die Vermeidung von Restkristallinität zur Vermeidung von Sprödbruchversagen entwickelt. Hinsichtlich der Topologieoptimierung der Leichtbaustrukturen war sowohl eine Berücksichtigung der speziellen mechanischen Eigenschaften amorpher Metalle, aber auch der Abbildungsmöglichkeiten im PBF-LB-Verfahren wichtig. Die Topologieoptimierung erfolgte mit dem Ziel möglichst vollständig auf nicht entfernbare innere Stützstrukturen verzichten zu können, wofür zum einen eine Optimierung der Laserparameter für die Herstellung der (zu stützenden) überhängenden Bauteilabschnitte, zum anderen eine optimierte Ausrichtung der Bauteile und zum Dritten die Verwendung lasttragender Verstärkungsstrukturen im Inneren als Lösungsansätze zur Erreichung des Projektziels eingesetzt wurden.

Zusammengefasst konnte durch den Einsatz der entwickelten, optimierten Prozessroutine und darauf angepasster topologieoptimierter Strukturen deutliche Gewichtsersparnisse um über 10 Prozent im Vergleich zum Einsatz von Stählen (bei Festkörpergelenken) und Titanlegierungen (bei Drucktanks) erreicht werden.

Zielmarkt

Der AMPOWER Report 2024 weist den globalen industriellen Markt für Additive Fertigung im Jahr 2023 mit etwa 10,5 Mrd. € und einer erwarteten Wachstumsrate von 13,9 % aus. Der Report hebt einen deutlichen Trend zur Nutzung additiv gefertigter Endbauteile hervor, insbesondere in Branchen mit hohen Anforderungen an mechanische Eigenschaften, Verschleißfestigkeit und Oberflächengüte.

Zu den wachstumsstärksten Segmenten zählen Luft- und Raumfahrt, Medizintechnik, Energie und Werkzeuge/Formsätze, also jene Bereiche, in denen die hohen Festigkeiten, elastischen Eigenschaften und die Korrosionsbeständigkeit amorpher Legierungen hohe Anwendungspotenziale besitzen. Im Bereich PBF-LB wird ein zunehmender Einsatz spezialisierter Legierungen jenseits der etablierten Werkstoffe wie Ti-6Al-4V, Inconel-Legierungen und rostfreien Stählen beschrieben. Dabei wird der Bedarf an „advanced materials with tailored properties“ als einer der wichtigsten Wachstumstreiber identifiziert. Dies unterstützt die Marktchance für Werkstoffe wie Zr-basierte BMGs, die durch ihr metastabiles Gefüge für Anwendungen mit extremen Belastungen prädestiniert sind. Die Wettbewerbssituation im AM-Sektor wird als zweigeteilt beschrieben: Einerseits existiert eine große und wachsende Anzahl kleiner Anbieter die zu einer Fragmentierung des Marktes beiträgt. Andererseits dominieren im Metall-AM-Sektor weiterhin wenige große Unternehmen, insbesondere im Maschinen- und Pulversektor.

Da amorphe Pulver bisher nur in sehr geringen Mengen verfügbar sind und nur wenige spezialisierte Hersteller existieren, lässt sich daraus eine günstige Wettbewerbssituation ableiten: Der Markt für hochspezialisierte Metallpulver ist klein, innovationsgetrieben und bietet neuen Anbietern Differenzierungsmöglichkeiten. Gleichzeitig zeigt der Report, dass die Nachfrage nach neuartigen Hochleistungswerkstoffen schneller wächst als deren Verfügbarkeit, was die Eintrittschancen in Nischenmärkte erhöht. Insgesamt deuten die im AMPOWER Report dargestellten Trends darauf hin, dass die Abnehmermärkte für amorphe Legierungen im PBF-LB-Verfahren ein dynamisches und wachsendes Umfeld mit klarer Nachfrage nach Werkstoffen mit überdurchschnittlicher Performance darstellen. Die im Projekt gewonnenen Erkenntnisse zur Verarbeitung Zr basierter amorpher Legierungen im PBF LB-Verfahren werden mit Blick auf eine möglichst breite und wirkungsvolle Nutzung, insbesondere in Sektoren, in denen die spezifischen Materialeigenschaften amorpher Metalle einen klaren Mehrwert bieten, zielgerichtet transferiert. Amorphe Metalle zeichnen sich durch eine Kombination aus hoher Festigkeit, großer Elastizität und Korrosionsbeständigkeit aus.

Die Werkstoffe sind hinsichtlich Ihrer Biokompatibilität geprüft und erfüllen die Anforderungen der ISO 10993-5 und ISO 10993-12, was sie für medizinische Anwendungen geeignet macht. Die Kombination dieser Materialeigenschaften mit der geometrischen Freiheit additiver Verfahren eröffnet ein großes Anwendungsspektrum, das von Medizintechnik über Präzisionsmechanik bis hin zu Raumfahrt oder Leichtbau reicht. Auf Basis dieser Grundlagen verfolgt der Transfer folgende Strategie: Durch Bereitstellung validierter PBF-LB Prozessparameter und nachgewiesener Pulver und Werkstoffqualität wird kleinen und mittleren Unternehmen (KMU) sowie spezialisierten Dienstleistern ein direkter Einstieg in die Fertigung amorpher Komponenten ermöglicht.

Parallel dazu sollen Kooperationen mit etablierten Unternehmen intensiviert werden. Ein Fokus liegt auf medizintechnischen Anwendungen: Da amorphe Legierungen bereits für chirurgische Instrumente und Implantate qualifiziert sind, bietet sich eine direkte Übertragung der Projektresultate auf medizinische Komponenten an. Insbesondere bei Bauteilen mit komplexen Geometrien, filigranen Strukturen oder erhöhten Anforderungen an Materialperformance kann die Kombination aus AM-Prozess und amorphem Werkstoff einen klaren Wettbewerbsvorteil darstellen.

Darüber hinaus sind Anwendungen in Bereichen wie Robotik, Sensorik, Luft- und Raumfahrt sowie Leichtbaustrukturen deutlich adressierbar: Die hohen spezifischen Festigkeiten, die Elastizität, Korrosions- und Verschleißbeständigkeit und das isotrope Werkstoffverhalten amorpher Metalle bieten dort Vorteile gegenüber konventionellen Werkstoffen. Ebenfalls eröffnet die Zusammenarbeit mit Heraeus AMLOY und weiteren industriellen Partnern die Möglichkeit, die Pulver und Verarbeitungstechnologie weiterzuentwickeln. So kann die Methodik sukzessive auf neue Legierungen und Anwendungen ausgeweitet werden, was die Innovationskraft und Wettbewerbsfähigkeit weiter steigert.

Mit dieser Transfer- und Vermarktungsstrategie wird sichergestellt, dass die Projektergebnisse nicht nur wissenschaftlich dokumentiert, sondern mit realistischem Marktzugang, hoher Material- und Prozessqualität sowie klarer Differenzierung durch die besonderen Vorteile amorpher Metalle direkt in industrielle Anwendungen überführt werden.