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Neue Wolframlegierung für 3D-Druck geeignet

Werkstoffe
Wolframlegierung für 3D-Druck komplexer Bauteile

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Einen pulverförmigen Werkstoff, in dem Wolfram, Nickel sowie Eisen oder Kupfer in jedem Partikel in festgelegten Anteilen vertreten sind, hat die Bayerische Metallwerke GmbH entwickelt. Er schmilzt gleichmäßig, die beigemischten Metalle verdampfen nicht unkontrolliert. So können im 3D-Druck komplexe Bauteile hergestellt werden.

Sandra Walz
Fachjournalistin in München

Wolframlegierungen (WNiFe/WNiCu) haben besondere Eigenschaften, deretwegen sie geschätzt werden. Sie sind korrosionsbeständig gegen Metallschmelze, haben eine hohe thermische Leitfähigkeit und werden daher im Kokillengussverfahren von Aluminium genutzt. Interessant sind sie auch für die Werkzeugherstellung und um Alpha- und Gammastrahlung abzuschirmen – denn sie haben eine Dichte, die mit der von Gold vergleichbar ist. Aber: Mit rund 3.400 °C hat Wolfram den höchsten Schmelzpunkt aller chemischen Elemente. Und wegen seiner Mohs-Härte von 7,5 ist das Material nur sehr schwer zu bearbeiten. Infolgedessen muss für Bauteile mit komplexeren Formen, wie etwa Kurven oder konischen Bohrungen, häufig auf den einfacher modellierbaren Warmarbeitsstahl ausgewichen werden.

Patent erteilt: Vorlegiertes Pulver mit Wolfram

Nun aber gibt es eine neue Legierung, die es ermöglichen soll, Wolfram auch für anspruchsvollere Geometrien einzusetzen. Ein Herstellungsverfahren für die Wolframlegierungen WNiFe sowie WNiCu wurde entwickelt und Anfang 2021 patentiert. „Die Besonderheit an unserer Wolfram-Nickel-Eisen-Legierung ist, dass wir sie in Form eines vorlegierten Pulvers gewinnen“, erläutert Dr.-Ing. Hany Gobran, Forschungs- und Entwicklungsmanager bei der Bayerische  Metallwerke GmbH sowie Erfinder der Herstellungstechnik.

Dank der Vorlegierung sind in jedem einzelnen Pulverpartikel alle drei Elemente als mehrphasiges Material verbunden, sodass ihre Zusammensetzung und Verteilung im Endprodukt genau kontrolliert werden kann. Bislang wurde lediglich ein gemischtes Pulver verwendet, um Wolfram für Bauteile mit komplexen Geometrien nutzbar zu machen – eine andere Alternative gab es nicht. Der größte Nachteil solcher Mischungen ergibt sich jedoch aus den unterschiedlichen Schmelzpunkten von Wolfram mit rund 3.400 °C sowie von Nickel und Eisen, die beide ihren Aggregatzustand schon bei etwa 1.500 °C ändern. Dies hat zur Folge, dass ein großer Teil der beiden zugesetzten Stoffe während des Schmelzvorgangs im Weiterverarbeitungsprozess unkontrolliert verdampft, denn der Siedepunkt von Nickel und Eisen liegt bei rund 2.700 °C beziehungsweise 3.000 °C.

Wolfram-Legierung: Neben 3D-Druck auch für Beschichtungen

Das neue vorlegierte Pulver hingegen eignet sich als Ausgangsprodukt für 3D-Druck- und Beschichtungsverfahren. Nach einer zweijährigen Entwicklungsphase wurde das Patent von der Bayerische Metallwerke GmbH eingereicht, die zur in Traunstein ansässigen Gesellschaft für Wolfram Industrie mbH gehört.

Entsprechend der gängigen normierten Varianten ist die neue Legierung mit 80 bis 98,5 Gewichtsprozent Wolfram, 0,1 bis 15 Gewichtsprozent Nickel und 0,1 bis 10 Gewichtsprozent Eisen und/oder Kupfer herstellbar. Damit wird eine Dichte des Endprodukts von 17 bis 18,8 g/cm3 erreicht, die für Anwendungen in der Aluminiumindustrie, der Werkzeugfertigung und zur Abschirmung von Alpha- und Gammastrahlen erwünscht ist. „Je höher der Anteil von Wolfram im Endprodukt ist, desto beständiger verhält es sich gegenüber Aluminiumschmelze und desto besser gestaltet sich auch seine thermische Leitfähigkeit“, führt Gobran aus.

Wolframanteil in der Legierung kann variiert werden

Wenn dagegen eine gute Duktilität sowie die mechanische Bearbeitbarkeit eine größere Rolle spielten, könne der Wolframanteil in der Legierung auch entsprechend gesenkt werden. „Die Zusammensetzung ist also stets an die konkrete Anwendung und die jeweilige Formkomplexität anpassbar.“

Bei dem Zerkleinerungsprozess im Rahmen des Herstellungsverfahrens können auch das Fließverhalten sowie die Korngröße des Pulvers zwischen 10 und 200 µm bestimmt werden. Auf diese Weise wird die Legierung individuell für die angestrebte Art der Weiterverarbeitung – etwa Plasma-Beschichtungsverfahren oder additive Fertigung – vorbereitet.

Legierung kommt mit der Dichte nahe an reines Wolfram heran

„Die sehr hohe Dichte von 19,25 Gramm pro Kubikzentimeter in der Reinform macht Wolfram zu einer guten Alternative zum gesundheitsschädlichen Blei, das beispielsweise in der Medizin nach wie vor zur Strahlenabschirmung verwendet wird“, sagt Nabil Gdoura, Forschungs- und Entwicklungsingenieur bei der Bayerische Metallwerke GmbH. Aufgrund seiner hohen Dichte von bis zu 18,8 g/cm3 bietet sich auch das Legierungsprodukt als Alternative zum Blei an.

„Eine weitere Besonderheit unserer Legierung ist, dass wir das Pulver aus Reststücken oder Spänen herstellen können“, fügt Gdoura hinzu. „Das ist sowohl aus wirtschaftlicher als auch aus umweltbewusster Perspektive ein großer Fortschritt, da wir so Abfallprodukte aus herkömmlichen Verfahren in den Wertstoffkreis zurückführen und upcyceln können.“


Weitere Informationen

Die Herstellung und Verarbeitung von Wolfram und Molybdän war das Ziel der 1911 in Berlin gegründeten Wolfram Drahtfabrik GmbH. 1928 firmierte das Unternehmen um in die Gesellschaft für Wolfram Industrie mbH. 1943 wurde der Firmensitz nach Traunstein verlagert. 1991 wurde der Mitbewerber, die Bayerische Metallwerke GmbH in Dachau, in das Unternehmen eingegliedert und so die Produktpalette erweitert. Im August 2018 ging mit der Wolfram Industrie GmbH im schweizerischen Winterthur ein weiterer Standort an den Start.

www.wolfram-industrie.de


Kontakt zum Hersteller:

Gesellschaft für Wolfram Industrie mbH
Permanederstraße 34
83278 Traunstein
Tel.: +49 (0) 861 98 79–0
Mail: info@wolfram-industrie.de
Bayerische Metallwerke GmbH
Leitenweg 5
85221 Dachau
Tel.: +49 (0) 8131 703–0
E-Mail: info@wolfram-industrie.de


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