Stahlrahmen für Motorräder aus dem 3D-Drucker

So hart wie Stahl und leichter als Aluminium. Für einen Motorradrahmen ein traumhafter Zustand. Zusammen mit den Experten von ArcelorMittal hat der spanische Forscher Sergio Corbera das Laserschichtverfahren deutlich weiterentwickelt und einen Motorradrahmen aus Stahl gedruckt, der viel leichter als ein Alurahmen ist. Das Geheimnis liegt in der Natur, in den Knochen von Vögeln.

Hohle Stahlstreben

Knochen von Vögeln sind hohl, haben nur sehr dünne Wände und verfügen für den gedachten Einsatz über eine enorme Stabilität. Dieses Prinzip nutzt Corbera bei seinem neuen Verfahren: aus herkömmlichem Stahlpulver kann er mit einem Laser hohle Strukturen drucken, deren Wände nur 0,8 bis 1,0 Millimeter dick sind. Bei mindestens gleicher Stabilität ist der Stahlrahmen mit nur 3,8 Kilo über ein Kilo leichter als ein vergleichbarer Alurahmen und nur gut halb so schwer wie ein Rohrrahmen aus Stahl. Zur Steifigkeit und Flexibilität des Rahmens sagt der Entwickler Sergio Corbera: "Dank unserer generativen Algorithmen haben wir viele Konstruktionslösungen evaluiert, bis wir die beste in Bezug auf die Steifigkeitsbalance gefunden haben. Darüber hinaus ermöglicht die additive Fertigung die Herstellung komplexer Formen. Die Kombination beider Techniken spielte eine Schlüsselrolle bei der Suche nach einer Form, die die gewünschte Steifigkeitsbalance erfüllt. In diesem Sinne bietet die Form ein besseres Gefühl als ein gegossener Aluminiumrahmen, weil die Steifigkeitsbalance besser ist."

Die Grenze des Machbaren

Bei diesen Wandstärken kommt laut Corbera die Technik an die Grenzen, da das gerade per Laser geschmolzene Stahlpulver nicht sofort wieder kristallisiert und so die Struktur für kurze Zeit instabil ist. Weiterhin ist das Clustern von einzelnen Pulverkörnern immer möglich und fördert die unerwünschte Porosität des gedruckten Stahls. Natürlich war die Reihenfolge des Drucks essentiell für den Erfolg, da die Hohlkörper immer so geformt wurden, dass das übrige Pulver aus der Struktur fällt. Zum sogenannten Überhangwinkel beim Druck sagt Corbera: "Wir haben eine hohle Struktur ohne innere Stützen erreicht, indem wir den Überhangwinkel in unsere Algorithmen einbezogen haben. Auf diese Weise haben die Algorithmen die Form entsprechend den Leistungsanforderungen entworfen, aber gleichzeitig die Bedingungen des Überhangwinkels berücksichtigt. Bei einem komplexen Teil wie diesem ist es eine große Herausforderung, es ohne jegliche Stützen zu entwerfen. Für die Verwendung von Stahl als Werkstoff war eine Hohlstruktur erforderlich, da dieser Werkstoff schwerer ist als Aluminium oder Titan. Dank dieser Entwicklung ist das Chassis aus Stahl wesentlich leichter als das aus Aluminium."

Heute nicht und morgen auch noch nicht

Klar ist: Wir reden über einen Prototyp, noch genauer eine Master-Arbeit an einer Universität. Das ist keine Technik, die morgen schon in Serie geht. Man erinnere sich an das gedruckte Chassis von BMW im Jahr 2018, selbst 2022 ist die additive Metallfertigung nicht Serie und wenn dann nur bei nicht-strukturellen Bauteilen. Jedoch ist Sergio Corbera der Meinung: "Jetzt ist es noch zu teuer, aber in den nächsten Jahren wird das Verfahren standardisiert werden und viele Teile werden mit dieser Technologie hergestellt werden." Und beim Thema Umweltschutz oder Nachhaltigkeit ist sich der Forscher sicher: "Wir sind dabei, diesen Aspekt zu bewerten, daher ist es für uns schwierig, eine Aussage zu treffen. Unserer Meinung nach lautet die Antwort "Ja"."