{"id":3128,"date":"2022-06-09T09:00:17","date_gmt":"2022-06-09T07:00:17","guid":{"rendered":"https:\/\/blogs.uni-bremen.de\/scienceblog\/?p=3128"},"modified":"2022-06-13T15:46:38","modified_gmt":"2022-06-13T13:46:38","slug":"was-eine-torte-mit-metall-3d-druck-gemeinsam-hat","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/blogs.uni-bremen.de\/scienceblog\/2022\/06\/09\/was-eine-torte-mit-metall-3d-druck-gemeinsam-hat\/","title":{"rendered":"Was eine Torte mit Metall-3D-Druck gemeinsam hat"},"content":{"rendered":"

von Maylin Homfeldt<\/em><\/p>\n

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Abb. 1: Links ist eine geschichtete Torte, in der Mittel ein Metallbauteil aus dem 3D-Druck und rechts das Selektive Laserschmelzen (3D-Druck Prozess) dargestellt. \u00a9 M. Homfeldt<\/p><\/div>\n

Konditor*innen benutzen eine ganz \u00e4hnliche Methode wie 3D-Drucker – sie lassen die Torte in Schichten entstehen. Dabei sto\u00dfen sie auf Probleme, die auch beim 3D-Druck mit Metall aufkommen – die Schichten m\u00fcssen gleichm\u00e4\u00dfig sein, um eine formsch\u00f6ne Torte oder ein ma\u00dfgenaues Bauteil herzustellen. Dar\u00fcber, wie die Gleichm\u00e4\u00dfigkeit der Schichten beim Metall-3D-Druck erreicht werden kann, gibt es neue Erkenntnisse aus der Wissenschaftskonditorei.<\/strong><\/p>\n

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Die Torte <\/strong><\/h3>\n

Einer leckeren mehrschichtigen Torte k\u00f6nnen nur wenige Desserts Konkurrenz machen. Ein St\u00fcck K\u00f6stlichkeit, das auch noch einfach lecker aussieht. Neben der \u00e4u\u00dferen Gestaltung ist auch der Anschnitt einer Torte ein Highlight. Die einzelnen Schichten im Innern werden dabei offengelegt. Wichtig ist hierbei, dass die Schichten \u00fcber den gesamten Querschnitt der Torte gleichdick bleiben, um das beste optische und geschmackliche Ergebnis und eine stabile Statik zu erzielen. Wer sich selbst schon mal an der Herstellung einer geschichteten Torte versucht hat, wird mir sicher zustimmen, dass das gar nicht so einfach ist. Wenn sich die cremigen Schichten, welche zwischen den Kuchenbo\u0308den liegen, nicht gleichm\u00e4\u00dfig verstreichen lassen, weil sie nicht flie\u00dffa\u0308hig genug sind, kann das zu Problemen f\u00fchren. Einige Teile der Torte haben so an einigen Stellen dann keine oder weniger F\u00fcllung als an anderen. In meinem Fall produzierte ich eher ungewollt eine Nachahmung des Schiefen Turms von Pisa, der durch die schief geschnittenen B\u00f6den und die unregelm\u00e4\u00dfig aufgetragenen Schichten der Creme sein eigenwilliges \u00c4u\u00dferes erhalten hat.<\/p>\n

Der Metall-3D-Druck<\/strong><\/h3>\n

Gleichm\u00e4\u00dfige Schichten sind nicht nur bei Torten wichtig, sondern auch beim Selektiven Laserschmelzen (SLM), dass man auch Laser-Powder-Bed-Fusion (LPBF) nennt. Das selektive Laserschmelzen ist ein additiver Herstellungsprozess (3D-Druck Verfahren, bei dem Schichten eines Materials aufgebaut werden, um einen festen Gegenstand zu erzeugen), der aus Metallpulver ein Metallbauteil herstellt. Bei dem Verfahren wird aus einem Pulvervorrat mit einer Rolle eine d\u00fcnne Pulverschicht in den Druckraum gestrichen. Ein Laserstrahl schmilzt dann den Werkstoff lokal auf, sodass das Metallpulver an den gew\u00fcnschten Stellen verbunden wird. Anschlie\u00dfend wird der Druckraum um eine Schichtdicke nach unten verschoben und erneut eine Pulverschicht aufgetragen, sodass schichtweise das Bauteil aus zusammengeschmolzenem Metallpulver erstellt wird (siehe Abbildung 1).<\/p>\n

W\u00e4hrend des Prozesses ist die gleichm\u00e4\u00dfige Pulverschicht im Druckraum essenziell, ohne die ein Ho\u0308hengewinn und Ma\u00dfgenauigkeit beim gedruckten Bauteil nicht m\u00f6glich sind. Nachdem alle Schichten durchfahren sind, wird das Bauteil vom \u00fcbersch\u00fcssigen Pulver befreit und wenn n\u00f6tig noch nachbearbeitet.<\/p>\n

Das Pulver muss flie\u00dfen <\/strong><\/h3>\n

Wenn die Metallpulver nicht flie\u00dffa\u0308hig genug sind, kann im schlechtesten Fall keine Pulverschicht im Druckraum aufgebaut werden und somit auch kein Bauteil hergestellt werden (siehe Abbildung 2). Die Flie\u00dff\u00e4higkeit ist bestimmt durch das Verh\u00e4ltnis von Anziehungs- und Gewichtskraft. Bei kleineren Partikeln \u00fcberwiegt die Anziehungskraft die Gewichtskraft, was in einer schlechten Flie\u00dff\u00e4higkeit resultiert (siehe Abbildung 3). Dies kann gut mit nassem und trockenem Sand nachvollzogen werden. Der nasse Sand klebt aneinander, weil die Anziehungskr\u00e4fte zwischen den einzelnen Sandk\u00f6rnern durch vorhandene Flu\u0308ssigkeitsbru\u0308cken sehr gro\u00df sind. Der trockene Sand besitzt geringere Anziehungskr\u00e4fte, weil keine Flu\u0308ssigkeitsbru\u0308cken vorhanden sind und ist somit flie\u00dffa\u0308higer.<\/p>\n

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Abb. 2: Darstellung eines Metallpulvers mit guter und schlechter Flie\u00dff\u00e4higkeit. Aus dem Materialvorrat wird eine Pulverschicht in den Druckraum gestrichen. Links ist schlecht flie\u00dfendes Pulver und rechts gut flie\u00dfendes dargestellt. \u00a9 E. G\u00e4rtner & M. Homfeldt<\/p><\/div>\n

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Abb. 3: Fotos von gut und schlecht flie\u00dfendem Metallpulver mit Schaubild der Anziehungskraft und Gewichtskraft bei guter und schlechter Flie\u00dff\u00e4higkeit. Bei den kleineren Partikeln \u00fcberwiegt die Anziehungskraft (dickerer Pfeil) die Gewichtskraft, was in schlechter Flie\u00dff\u00e4higkeit resultiert. \u00a9 E. G\u00e4rtner & M. Homfeldt<\/p><\/div>\n

Herstellung des Metallpulvers <\/strong><\/h3>\n

Bei der Herstellung des Metallpulvers f\u00fcr den 3D-Druck durch Gaszerst\u00e4ubung (Zerteilen des fl\u00fcssigen Metalls in kleine Tropfen in einem Gas) unter Inertgasatmosph\u00e4re (Inertgase = reaktionstr\u00e4ge Gase) entstehen Partikel unterschiedlicher Gr\u00f6\u00dfe. Konventionell wird das produzierte Metallpulver aufwendig in verschiedene Fraktionen unterschiedlicher Partikelgro\u0308\u00dfen aufgeteilt. Dieser Prozess wird \u201eFraktionieren\u201c genannt. Fraktionen gr\u00f6\u00dferer Partikelgro\u0308\u00dfen (Partikel gr\u00f6\u00dfer 20 \u03bcm) werden f\u00fcrdie 3D-Herstellung von Bauteilen verwendet. F\u00fcr die Fraktionen mit kleineren Partikelgro\u0308\u00dfen werden im besten Fall andere Verwendungsm\u00f6glichkeiten gefunden. Sie scheiden jedoch f\u00fcr das 3D-Druckverfahren aus, weil sie nicht flie\u00dffa\u0308hig genug sind.
\nDie gr\u00f6\u00dferen Partikel eignen sich besser als die kleineren, da diese flie\u00dffa\u0308higer sind (siehe Abbildung 3 und 4). Die einzelnen Schichten f\u00fcr den 3D-Druckprozess lassen sich so besser herstellen (vergleiche Abbildung 2).<\/p>\n

Es ist jedoch trotzdem m\u00f6glich, Pulver mit kleineren Partikelgro\u0308\u00dfen zum „Drucken“ zu verwenden und somit die verwendete Menge des hergestellten Metallpulvers deutlich zu erh\u00f6hen. Daf\u00fcr m\u00fcssen die Metallpartikel allerdings speziell beschichtet werden. Das Forschungsteam um Eric G\u00e4rtner von der Uni Bremen hat das Verfahren der Trockenbeschichtung mit Nanopartikeln verwendet, um auch Metallpulver mit kleineren Partikeldurchmessern (< 20 \u03bcm) f\u00fcr den 3D-Druck nutzbar zu machen (siehe Abbildung 4). Diese sind durch die Nanopartikeltrockenbeschichtung flie\u00dffa\u0308higer. Dies ist auf die Reduktion der Anziehungskr\u00e4fte zwischen den Metallpulverpartikeln durch Abstandserho\u0308hung zur\u00fcckzuf\u00fchren. Mit dieser Art von Beschichtung kann eine gr\u00f6\u00dfere Menge des hergestellten Metallpulvers verwendet und der Prozess der Fraktionierung weggelassen oder vereinfacht werden.<\/p>\n

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Abb. 4: Messung der Flie\u00dff\u00e4higkeitsverbesserung durch die Nanopartikeltrockenbeschichtung von Metallpulver f\u00fcr verschiedene Partikeldurchmesser. \u00a0Ohne Nanopartikeltrockenbeschichtung (graue Punkte) nimmt die Flie\u00dff\u00e4higkeit des Metallpulvers erst f\u00fcr die gr\u00f6\u00dfte getestete Partikelgr\u00f6\u00dfe stark genug ab, sodass es f\u00fcr den Druck geeignet ist. Mit Beschichtung (blaue Punkte) sind alle getesteten Partikelgr\u00f6\u00dfen geeignet. Ver\u00e4ndert nach [1].<\/p><\/div>\n

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Funktionsweise der Nanopartikeltrockenbeschichtung <\/strong><\/h3>\n

Durch die adh\u00e4siven (haftend, ohne mit der Klebefl\u00e4che zu verschmelzen) Nanopartikel werden die wirkenden Kr\u00e4fte zwischen den Partikeln reduziert, indem eine k\u00fcnstliche Oberfla\u0308chenrauheit erschaffen wird (siehe Abbildung 5). Durch die erh\u00f6hte Oberfla\u0308chenrauheit werden die Anziehungskr\u00e4fte verringert, da der Abstand zwischen den einzelnen Partikeln vergr\u00f6\u00dfert wird. Die einzelnen Partikel halten also nicht mehr so stark zusammen, was die Flie\u00dff\u00e4higkeit verbessert. Das Ph\u00e4nomen der Flie\u00dffa\u0308higkeitsverbesserung ist auf die Gr\u00f6\u00dfe der Nanopartikel und nicht auf das Material, aus dem sie bestehen, zur\u00fcckzuf\u00fchren. Das Material der Nanopartikel kann somit passend zum verwendeten Metallpulver gew\u00e4hlt werden. Diese Materialfreiheit ist entscheidend f\u00fcr die Funktion des gedruckten Bauteils.<\/p>\n

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Abb. 5: Abbildung 5a) zeigt die Oberfl\u00e4che eines nicht beschichteten Metallpulverpartikels. Die Abbildung 5b) hingegen zeigt die Oberfl\u00e4che einer Nanopartikeltrockenbeschichtung. Ver\u00e4ndert nach [1].<\/p><\/div>\n

Interesse am Thema geweckt? <\/strong><\/h3>\n

Detaillierte Inhalte zum Thema Metall 3-D-Druck k\u00f6nnt Ihr euch beim Leibniz-Institut f\u00fcr Werkstofforientierte Technologien – IWT<\/a> [2] anlesen. Einen tieferen Einblick in die Thematik der Nanopartikeltrockenbeschichtung f\u00fcr den Metall 3-D-Druck gew\u00e4hrt euch das Paper<\/a> von Eric G\u00e4rtner et al., das Basis dieses Artikels ist.<\/p>\n

Quellen <\/strong><\/h3>\n

[1] <\/strong>E. G\u00e4rtner, H. Y. Jung, N. J. Peter, G. Dehm, E. A. Ja\u0308gle, V. Uhlenwinkel, and L. M\u00e4dler. Reducing cohesion of metal powders for additive manufacturing by nanoparticle dry-coating. Powder Technology, 379:585\u2013595, 2021.<\/p>\n

[2] <\/strong>IWT Bremen Website https:\/\/www.iwt-bremen.de\/de\/home<\/p>\n

Abb. 1a: <\/strong>https:\/\/de.freepik.com\/vektoren-kostenlos\/geburtstagstorte-eingestellt_3707565.htm#page=1&query=geburtstagstorte&position=4
\n<a href=’https:\/\/de.freepik.com\/vektoren\/geburtstag‘>Geburtstag Vektor erstellt von freepik – de.freepik.com<\/a><\/p>\n

Abb. 3: <\/strong>ver\u00e4ndert nach [1]<\/p>\n

Abb. 4: <\/strong>ver\u00e4ndert nach [1]<\/p>\n

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von Maylin Homfeldt Konditor*innen benutzen eine ganz \u00e4hnliche Methode wie 3D-Drucker – sie lassen die Torte in Schichten entstehen. Dabei sto\u00dfen sie auf Probleme, die auch beim 3D-Druck mit Metall aufkommen – die Schichten m\u00fcssen gleichm\u00e4\u00dfig sein, um eine formsch\u00f6ne Torte oder ein ma\u00dfgenaues Bauteil herzustellen. Dar\u00fcber, wie die Gleichm\u00e4\u00dfigkeit der Schichten beim Metall-3D-Druck erreicht […]<\/p>\n","protected":false},"author":12867,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_bbp_topic_count":0,"_bbp_reply_count":0,"_bbp_total_topic_count":0,"_bbp_total_reply_count":0,"_bbp_voice_count":0,"_bbp_anonymous_reply_count":0,"_bbp_topic_count_hidden":0,"_bbp_reply_count_hidden":0,"_bbp_forum_subforum_count":0,"footnotes":""},"categories":[569450,852763,1010174,117159],"tags":[419009,1010140,1010142],"class_list":["post-3128","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-ingenieurswissenschaften","category-materialwissenschaften-de","category-materialwissenschaften-de-2","category-technik","tag-materialwissenschaften","tag-metall-3d-druck","tag-nanopartikelbeschichtung","post-preview"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/blogs.uni-bremen.de\/scienceblog\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/3128","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/blogs.uni-bremen.de\/scienceblog\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/blogs.uni-bremen.de\/scienceblog\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/blogs.uni-bremen.de\/scienceblog\/wp-json\/wp\/v2\/users\/12867"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/blogs.uni-bremen.de\/scienceblog\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=3128"}],"version-history":[{"count":6,"href":"https:\/\/blogs.uni-bremen.de\/scienceblog\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/3128\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":3147,"href":"https:\/\/blogs.uni-bremen.de\/scienceblog\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/3128\/revisions\/3147"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/blogs.uni-bremen.de\/scienceblog\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=3128"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/blogs.uni-bremen.de\/scienceblog\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=3128"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/blogs.uni-bremen.de\/scienceblog\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=3128"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}