Die drahtbasierte additive Fertigung (oft als „drahtbasierter 3D-Druck“ bezeichnet) von Niob-Legierung C103 wurde technisch validiert und stellt eine hochmoderne Anwendung im Bereich des laserbasierten drahtgestützten Auftragschweißens (Laser Wire Directed Energy Deposition, LW-DED) dar. Dieses Verfahren unterscheidet sich grundlegend von gängigen Methoden wie dem pulverbettbasierten Schmelzen (Powder Bed Fusion, PBF) oder dem laserbasierten pulvergestützten Auftragschweißen (DED) – insbesondere hinsichtlich der Form des Ausgangsmaterials, der Auftragseffizienz und der Strategien zur Fehlervermeidung.
C103 (Nb-10Hf-1Ti) ist eine auf Niob basierende Legierung, die für Hochtemperaturanwendungen in der Luft- und Raumfahrt entwickelt wurde und bei Temperaturen von bis zu etwa 1400 °C eingesetzt werden kann; typische Anwendungsgebiete sind beispielsweise Düsenverlängerungen für Raketentriebwerke. Die herkömmliche pulverbasierte additive Fertigung stößt auf zwei wesentliche Hindernisse: die schwierige und extrem kostspielige Herstellung von C103-Pulver (Preise von bis zu 750 US-Dollar pro Pfund wurden verzeichnet) sowie Einschränkungen bei den Auftragsraten und Bauteilgrößen im pulverbettbasierten Schmelzverfahren. Im Gegensatz dazu ermöglicht das drahtbasierte DED eine Materialausnutzung von nahezu 100 % sowie eine höhere Auftragseffizienz, wodurch die hohen Kosten und Ineffizienzen, die mit der Pulverherstellung verbunden sind, umgangen werden.
Bisherige Forschungsergebnisse zum LW-DED zeigen, dass die Prozessparameter die Formqualität von C103 maßgeblich beeinflussen. Für die Laserleistung liegt der optimale Bereich bei 2000–2400 W. Unter 2000 W bildet sich das Schmelzbad nicht gleichmäßig aus; über 2600 W führt die Laserreflexion dazu, dass der Draht vorzeitig schmilzt, noch bevor er das Schmelzbad erreicht, was den kontinuierlichen Auftragsprozess stört.
Die Notwendigkeit einer Substratvorwärmung: Dies ist ein entscheidender Unterschied zwischen dem auf C103-Draht basierenden DED-Verfahren und Verfahren für konventionelle Werkstoffe. Aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit von C103 und der spezifischen Eigenschaften seines Erstarrungsbereichs ist das Material bei fehlender Substraterwärmung sehr anfällig für Erstarrungsrisse. Untersuchungen mit einem modifizierten Meltio M450-System, das über eine Hochtemperatur-Substratheizung verfügt, haben gezeigt, dass sich damit dünnwandige Strukturen erfolgreich aufbauen lassen. Dies unterstreicht, dass eine Substraterwärmung unerlässlich ist, um Rissbildung zu unterdrücken und eine einwandfreie Verschmelzung der Schichten zu gewährleisten.
Mechanische Eigenschaften: Bei optimierten Prozessparametern können C103-Proben, die mittels drahtbasiertem DED (Directed Energy Deposition) hergestellt wurden, eine Streckgrenze erreichen, die den Standard ASTM B654 um mehr als 10 % übertrifft. Diese Ergebnisse belegen, dass mittels drahtbasiertem DED gefertigtes C103 eine ausreichende Festigkeit für technische Anwendungen aufweist.
Kontrolle der Sauerstoffverunreinigung: Das in C103 enthaltene Hafnium (Hf) reagiert leicht mit Sauerstoff, wobei sich an den Grenzen der Erstarrungszellen HfO₂ bildet. Der Sauerstoffgehalt nimmt tendenziell mit steigender Laserleistung und zunehmender Aufbauhöhe zu. Daher ist die Kontrolle der Schutzatmosphäre – sowie gegebenenfalls das Management von Wärmeansammlungen – entscheidend für den Erhalt der Materialzähigkeit. Die Notwendigkeit einer sauerstoffarmen Umgebung, die bereits bei pulverbasierter DED- und PBF-Verfahren (Powder Bed Fusion) betont wird, gilt gleichermaßen für das drahtbasierte DED-Verfahren.
Rissanfälligkeit: Die Vorwärmung des Substrats ist die wichtigste Maßnahme, um Erstarrungsrisse zu vermeiden. Zudem verdeutlichen Forschungsarbeiten, die computergestützte Modelle und maschinelles Lernen zur Untersuchung von Erstarrungsrissen in hochschmelzenden Legierungen wie C103 einsetzen, sowohl die Komplexität der zugrunde liegenden Mechanismen als auch die große Bedeutung, die dieser Problematik beigemessen wird.
Es ist zu beachten, dass C103 ein Nischenwerkstoff in der Luft- und Raumfahrtindustrie mit einer relativ konzentrierten Lieferkette ist. Da nur wenige Anbieter weltweit in der Lage sind, eine stabile Versorgung zu gewährleisten, müssen bei der Beschaffung Faktoren wie Lieferzeiten und die Konsistenz zwischen verschiedenen Chargen besonders sorgfältig berücksichtigt werden.
