Ikosaeder-Trick: Neuer Kristall entdeckt, der 3D-Metall stärker macht

Eine seltene Kristallform, die sogenannten Quasikristalle, wurden in einer Aluminiumlegierung entdeckt und sorgen für eine deutliche Steigerung der Materialfestigkeit. Diese Struktur entsteht unter den extremen Bedingungen des 3D-Metalldrucks. Beim Verfahren "Pulverbettfusion" wird feines Metallpulver in dünnen Schichten verteilt. Ein Hochleistungslaser schmilzt das Pulver gezielt, um die gewünschte Form zu erzeugen. Durch diesen Prozess entstehen Temperaturen von über 2400 Grad, deutlich über dem Schmelzpunkt von Aluminium. Das schnelle Abkühlen und Erhitzen verändert die atomare Struktur des Materials - und das auf bisher unentdeckte Weise. Denn in solch einer Aluminiumlegierung wurden jetzt erstmals Quasikristalle entdeckt.

Quasikristalle: Was macht sie so besonders?

Im Gegensatz zu herkömmlichen Kristallen, die sich durch regelmäßige, sich wiederholende Muster auszeichnen, wie etwa bei Salzkristallen, haben Quasikristalle einzigartige, nicht periodische Strukturen. In der jetzt untersuchten besonderen Aluminiumlegierung bildeten sie 20-seitige Formen, sogenannte Ikosaeder. Als Andrew Iams, Materialforschungsingenieur am National Institute of Standards and Technology (NIST), die atomare Struktur unter seinem Mikroskop untersuchte, bemerkte er das extrem ungewöhnliche Muster: "Das war der Moment, in dem die Aufregung anfing", erklärte er.


Als Iams die Kristalle unter dem Mikroskop aus einem bestimmten Winkel betrachtete, entdeckte er eine sogenannte fünffache Rotationssymmetrie - das bedeutet, dass die Struktur nach einer Drehung um 72 Grad (360/5) wieder identisch aussah. "Fünffache Symmetrie kommt selten vor. Das war der entscheidende Hinweis auf einen Quasikristall", erklärte der Forscher. 1982 führte dieses Bild einer Aluminium-Mangan-Legierung am NIST zur Entdeckung von Quasikristallen und später zum Nobelpreis für Dan Shechtman

Warum ist Aluminium schwer zu drucken?

Aluminiumlegierungen mit hoher Festigkeit neigen dazu, beim 3D-Druck Risse zu bilden. Das liegt daran, dass Aluminium schneller abkühlt und sich während des Prozesses ungleichmäßiger verhält als andere Metalle. Eine Lösung wurde 2017 von Teams in Kalifornien und Santa Barbara gefunden: Durch die Zugabe von Zirkonium zum Aluminium wird das Risiko von Rissen deutlich reduziert und eine stabile Legierung geschaffen. Die bei NIST untersuchte Legierung hatte diese Technik genutzt und dabei den zusätzlichen Effekt der Quasikristalle entdeckt.

Die Entdeckung dieser Kristallstruktur eröffnet neue Möglichkeiten für die Entwicklung robuster Aluminiumlegierungen. Potenzielle Anwendungen könnten kritische Bauteile in der Luftfahrt, Automobilindustrie oder Energietechnik umfassen, wo geringes Gewicht und hohe Festigkeit entscheidend sind. "Wir haben gezeigt, dass Quasikristalle Aluminium stärker machen können. Deshalb kann man jetzt versuchen, sie gezielt in künftigen Legierungen zu erzeugen", so das Team. Weitere Details liefert die Veröffentlichung im Journal of Alloys and Compounds.


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