Gedruckt: Gitter aus Wolfram

Komplexe Wolfram-Strukturen aus dem 3D-Drucker / Probestücke für Demonstrationskraftwerk

11. September 2019

Komplex geformte Bauteile aus Wolfram, dem Metall mit dem höchsten Schmelzpunkt, hat ein Team um Alexander von Müller vom Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Garching mit Hilfe eines 3D-Druckverfahrens hergestellt.

Probestücke aus Wolfram, hergestellt mit einem 3D-Druckverfahren. Die feine Gitterarchitektur soll dem hitzebeständigen Wolfram geringe Wärmeleitfähigkeit verleihen.

„Mit konventionellen Verfahren, zum Beispiel durch Fräsen aus einem Metallblock oder In-Form-Pressen und Sintern von Metallpulver, lassen sich derartig filigran geformte Wolfram-Objekte nicht herstellen“, sagt Alexander von Müller. „Da blieb nur die relativ neuartige Methode der additiven Fertigung, auch 3D-Druck genannt.“

Im Zusammenhang mit seiner Doktorarbeit hatte er bereits Erfahrung mit der Bearbeitung von Wolfram gesammelt und auch – allerdings mit anderem Ziel – 3D-Druckverfahren eingesetzt. Deshalb war er der passende Ansprechpartner für italienische Forscher der Universitäten Tuscia in Viterbo und Tor Vergata in Rom, die Komponenten für ein künftiges Fusionsdemonstrationskraftwerk entwickeln. Sie hatten Gitterstrukturen aus dem robusten Wolfram errechnet, die bestimmte Stellen der Gefäßwand gegen kurze, intensive Wärmepulse aus dem heißen Plasma abschirmen sollen. Die Gitter zeichnen sich – im Unterschied zu massiven Wolframplatten – durch niedrigere Wärmeleitfähigkeit aus und sollen sicherstellen, dass die dahinter liegenden Wandpartien thermisch nicht überlastet werden.

Ein Laserstrahl schmilzt lagenweise Wolfram-Pulver zu der gewünschten Gitterstruktur zusammen.

In Kooperation mit der Fraunhofer-Einrichtung für Gießerei-, Composite- und Verarbeitungstechnik (IGCV) in Augsburg, welche die Anlagen für den 3D-Druck zur Verfügung stellte, wurde das Fertigungsverfahren entwickelt: Per Computer gesteuert, schmilzt dabei ein Laserstrahl lagenweise Wolfram-Pulver im Muster der gewünschten Gitterstruktur zusammen, so dass sich das komplexe Bauteil Schicht für Schicht aufbaut. Vorangegangen war eine längere Entwicklungszeit, in der zunächst die Kenngrößen geklärt werden mussten, die den Herstellungsprozess bestimmen, zum Beispiel die Korngröße des Wolfram-Pulvers oder die Leistung des Laserstrahls.

Dass sie die gewünschten Probeteile herstellen können, haben die Wissenschaftler inzwischen gezeigt. Als nächstes ist nun zu prüfen, ob sie tatsächlich die benötigten Eigenschaften besitzen, um einer Plasmabelastung standzuhalten.

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