Additive Fertigung am Fraunhofer IGCV – Anwendungen, Forschung und Entwicklung

Neben der Anwendung im Prototypen- und Werkzeugbau werden additive Fertigungsverfahren heute auch vermehrt in der Serienproduktion eingesetzt. Zur Serien-Herstellung metallischer Bauteile eignet sich vor allem das pulverbettbasierte Laser-Strahlschmelzen.

Hierbei wird das Bauteil durch lokales Aufschmelzen des Metallpulvers durch einen Laserstrahl und das anschließende Erstarren des Werkstoffs schichtweise aufgebaut. Vorteile der Technologie sind unter anderem die Möglichkeit, Bauteile direkt aus dem CAD-Modell zu erzeugen, die nahezu uneingeschränkte Formgebungsfreiheit sowie die hohe Ressourceneffizienz, da nicht aufgeschmolzenes Pulver für nachfolgende Fertigungsvorgänge wiederverwendet werden kann.

Aus den verfahrensbedingt auftretenden Temperaturgradienten resultieren jedoch Verformungen und Eigenspannungen, die sich auf die Prozessstabilität sowie die Bauteilqualität negativ auswirken können.
Diese Besonderheit des Laser-Strahlschmelzens muss bereits in der Bauteilauslegung bzw. in der Fertigungsvorbereitung berücksichtigt werden. Beispiele hierfür sind der Treppenstufeneffekt, der Optik und Performance des Bauteils beeinflusst, und die verfahrensbedingte Notwendigkeit, Stützen bzw. Supportstrukturen mit dem Bauteil gemeinsam aufzubauen.

Im Binder-Jetting-Verfahren wird ein Pulverwerkstoff schichtweise durch lokales, präzises Einbringen eines Binderwerkstoffes über Druckköpfe verfestigt. Dadurch werden die Pulverpartikel im Querschnitt des Bauteils verklebt.

Für metallische Werkstoffe ist die Fertigung ein zweistufiger Prozess. Beim Binder Jetting entsteht der sogenannte Grünling, der dann in einem nachfolgenden Schritt im Ofen thermisch entbindert und gesintert wird. Als sinterbasierte AM-Technologie ist das Binder Jetting besonders für die Herstellung kleinerer Bauteile in größerer Stückzahl geeignet. Zudem lassen sich aufgrund des Sinterprozesses Materialien verarbeiten, die durch schmelz- oder schweißbasierte Verfahren nicht verarbeitbar sind.

Am Fraunhofer IGCV wird Binder Jetting außerdem für die Herstellung von Formen und Kernen für die Gießereitechnik untersucht (z. B. im Projekt ConMon3D). Der Fokus liegt dabei auf der Verarbeitung von gießereirelevanten Werkstoffen, wie beispielsweise Formsanden. Wir erforschen unterschiedliche Kombinationen aus Formsanden und Binderwerkstoffen, die sich besonders wirtschaftlich und technologisch günstig in Gießverfahren verhalten. Dies kann die konventionelle Fertigungstechnik ergänzen und so kooperativ als Befähiger verbesserter (verkürzter) Prozessketten in der Gießerei fungieren.

In der additiven Fertigung (3D-Druck) wird die Extrusionstechnologie verwendet, um Objekte schichtweise aufzubauen. Dies kann auch mit faserverstärkten Polymeren erfolgen, um die mechanischen Eigenschaften des Endprodukts zu verbessern. Die Extrusion faserverstärkter Polymere ist ein zentraler Bestandteil der additiven Fertigung, insbesondere beim 3D-Druck von Bauteilen mit verbesserten mechanischen Eigenschaften. Durch das Einbringen von Fasern in das Polymer wird die Festigkeit und Steifigkeit des gedruckten Teils gesteigert, was es für anspruchsvolle Anwendungen in verschiedenen Industrien geeignet macht. Mehr Info: Extrusion faserverstärkter Polymere

Beim Liquid Deposition Modeling (LDM) wird Metallpulver mittels eines Lasers direkt auf eine Oberfläche aufgeschmolzen. Dadurch entstehen Schichten, die präzise aufeinander aufbauen, was für die Herstellung komplexer Metallteile genutzt wird. Das Fraunhofer IGCV arbeitet daran, LDM für die industrielle Fertigung weiterzuentwickeln. Ziel ist es, LDM-Prozesse hinsichtlich Geschwindigkeit, Präzision und Materialeffizienz zu optimieren. Zudem erforscht das Fraunhofer IGCV, wie sich durch LDM hybride Bauteile mit unterschiedlichen Materialeigenschaften herstellen lassen, um z. B. kosteneffizientere und langlebigere Bauteile für Maschinenbau und Luftfahrt zu ermöglichen. Mehr Info: Liquid Deposition Modeling

Wir entwickeln das Hochdruck-Kaltgasspritzverfahren weiter, um es als Additive Fertigungstechnologie insbesondere für Multimaterialbauteile einzusetzen. Es ermöglicht hohe Materialaufbauraten von bis zu 10 kg/h und kann verschiedene Materialkombinationen ohne intermetallische Phasenbildung verarbeiten. Das Kaltgasspritzsystem des Fraunhofer IGCV besteht aus einer Kaltgaszelle mit zwei 6-Achs-Robotern und einem Dreh-Schwenktisch. Eine Plasma Giken-Gun wird für den Materialauftrag verwendet. Das System kann derzeit Stähle, Kupferlegierungen und Hochleistungsstähle verarbeiten. Das Kaltgasspritz-Fertigungslabor bietet individuelle Analysen und Unterstützung bei der Evaluierung geeigneter Anwendungsfälle. In den Projekten FASTMULT, Coldspraymult und ACCURACY erarbeiten wir Grundlagen für diese Weiterentwicklung.

Eines der jüngsten Weiterentwicklungen des Fraunhofer IGCV ist das Liquid Metal Printing (LMP) Verfahren. Die Grundlagen werden zusammen mit der Firma Grob im Projekt AluWire LMP erarbeitet.

Das Rohmaterial beim LMP Verfahren bildet ein Aluminiumdraht. Dann wird eine Schmelze in einem kleinen Tiegel erzeugt und flüssige Tröpfchen werden abgelegt, um das Bauteil zu erzeugen. Das LMP Verfahren ermöglicht eine kostengünstige und zeiteffiziente Verarbeitung von Aluminiumlegierungen im Vergleich zu anderen additiven Fertigungsverfahren.

Technische Daten:

• Laserleistung: 400 W
• Fokusdurchmesser 100 µm
• Bauraum 250 mm x 250 mm x 325 mm          
• Schichtdicken ab 20 µm
• Werkstoffe: Einsatzstähle (16MnCr5, 20MnCr5), Reinaluminium und AlSi10Mg, Nickelbasis-Legierungen (IN718), 316L (1.4404)

Hersteller: EOS Electro Optical Systems GmbH

AMLab-Standort: Augsburg

Die EOS M 290 wird zurzeit vor allem für die Verarbeitung verschiedener Stähle, z. B. Einsatz-, Werkzeug und Edelstähle, verwendet. Hierbei kommt die Leistungsfähigkeit des 400-Watt-Faserlasers zum Tragen, der im Bauvolumen von 250 x 250 x 325 mm³ eine wirtschaftliche Herstellung verschiedenster Bauteile ermöglicht.

Technische Daten:

• Bauraumgröße: 250 x 250 x 325 mm³
• Max. Leistung: 1.000 W
• Wellenlänge: rot 1.064 nm        
• Scangeschwindigkeit 8 m/s
• Fokusdurchmesser: 80 µm
• Werkstoffe: CoCrMo, Goldlegierungen, Reinaluminium und AlSi10Mg, Reinkupfer und CuCr1Zr, Multimaterialverarbeitung

Hersteller: EOS Electro Optical Systems GmbH

AMLab-Standort: Augsburg

Technische Daten:

• Laserleistung: 400 W
• Fokusdurchmesser 70–100 µm
• Bauraumgröße 125 mm x 125 mm x 125 mm
• Schichtdicken 20–75 µm
• Fertigungsgeschwindigkeit bis zu 25 cm³/h
• Werkstoffe: AlSi10Mg, Nickelbasis-Legierungen (IN718, Haynes 214), 316L (1.4404), Wolfram, CuCr1Zr

Hersteller: SLM Solutions GmbH

AMLab-Standort: Augsburg

Die Laserstrahlschmelzanlage SLM 125 wird derzeit vor allem zur Verarbeitung von Aluminiumlegierungen, wie AlSi10Mg, eingesetzt. Die vorhandene Bauraumverkleinerung auf (50 x 50 x 50 mm³) ermöglicht eine effiziente Untersuchung kundenspezifischer Werkstoffe. Dabei ist durch die Beschichtung in zwei Richtungen eine hohe Aufbaurate erreichbar.

Technische Daten:

• Leistung 400W
• Laserfocus 150 µm
• Bauraum 250 mm x 250 mm x 350 mm          
• Werkstoffe: AlSi10Mg, Nickelbasis-Legierungen, 316L (1.4404), 1.2709, Wolfram, CuCr1Zr, Multimaterial, Keramik
• Schichtdicken 20 - 80 µm
• Aufbaurate 2 - 10 cm³/h
  
  

Hersteller: SLM Solutions GmbH

AMLab-Standort: Augsburg

Die SLM 250 HL vom Hersteller SLM Solutions GmbH ist eine vom Fraunhofer IGCV für die Multimaterialverarbeitung modifizierte Anlage. Durch die vorgenommenen Software- und Hardwareseitigen Anpassungen können metallische Multimaterialbauteile mit einem hohen Automatisierungsgrad generiert werden. Die Bauraumverkleinerung ermöglicht dabei den wirtschaftlichen Bau von Testkörpern in kleinen Mengen. Für eine verbesserte Pulverhandhabung ist die Anlage mit einer Absaug- und Schwingsiebstation ausgestattet.

Technische Daten:

• Bauraumgröße: 280 x 280 x 365 mm³
• Bauraumverkleinerung: 100 x 100 mm2
• Nd:YAG-Laser Wellenlänge: rot 1.064 nm
• Max. Leistung: 700 W
• Scangeschw.10 m/s
• Fokusdurchmesser: 80 – 110 µm
• Werkstoffe: 1.2709, CuCr1Zr, AlSi10Mg, Ti64, IN718, Multimaterial

Hersteller: SLM Solutions GmbH

AMLab-Standort: Augsburg

Industriell umgesetzte Multimaterial-PBF-Maschine am IGCV mit dem Partner Nikon SLM Solutions. Grundlage für große Multimaterial-Projekte und große Bauteile. Erste industrielle Multimaterialmaschine. Geschlossener Pulverkreislauf für große Multimaterial-Komponenten

• 3D-Fertigung durch Schmelzetropfen
• Bauraum 300 x 300 x 300 mm³
• Werkstoffe: EN AW-4047 (AlSi12), EN AW-4046 (AlSi10Mg), EN AW-7075 (AlZnMgCu1,5)
• Tropfengrößen zwischen 450-750 µm
• Schichtstärke rund 250-450 µm
• Fertigungsgeschwindigkeit max. 400 cm³/h

Hersteller: GROB Werke Mindelheim

Standort: Augsburg

Industrienahe MMJ-Maschine mit piezoelektrischer Aktuierung nach dem aktuellen Stand der Technik. Derzeit noch primär in Forschungsumgebung. Vision MMJ: Zuverlässige, kostengünstige, nachhaltige Verarbeitbarkeit bekannter Hochleistungs-legierungen mit hohen mechanischen Bauteileigenschaften (dynamischen Festigkeiten)

Technische Daten:

• Binder-Jetting-Module: 2 piezoelektrische Druckköpfe (4096 Düsen)
• Nutzbares Bauvolumen: 200 x 100 x 40 mm³
• Auflösung: 1200 dpi
• Schichtdicken: 30 – 200 µm
• Fertigungsgeschwindigkeit: 1350 cm³/h (bei 65 µm Schichtdicke)
• Vor allem verarbeitete Materialien 17-4PH
• Besonderheiten: Schutzgasfähig (Stickstoff)

Hersteller: Desktop Metal

Standort: Augsburg

Industriemaschine nach dem aktuellen Stand der Technik zur Herstellung von Grünteilen für den Binder-Jetting-Prozess. Es bestehen Optionen Multimaterial-Module zum Pulverauftrag nachzurüsten. Der Binder-Jetting-Prozess besteht aus Drucker und Sinterofen. 

Technische Daten

• Laserleistung: Laser à 750 W
• Laserfokusdurchmesser: 90 – 500 µm
• Bauraumgröße: Ø400 × 400 mm³
• Minimale Schichtdicke: 10 µm
• Substratvorwärmung: bis 500 °C auf der Ø400 mm Plattform
• Substratvorwärmung: bis 800 °C
• Werkstoffe: AlSi10Mg, 316L (1.4404), 42CrMo4 (1.7225), Wolfram, Keramik, CuCr1Zr

Hersteller: Aconity3D GmbH

AM-Labor-Standort: Augsburg

Die Forschungsmaschine erlaubt vielfältige Modifikationen (Open Hard- & Software), wie z.B. Anbindung eines eigens entwickelten Multimaterialmodul. Bearbeitung von Industrieaufträgen und klassischen Materialentwicklungsprojekten insbesondere im Umfeld Kernfusion durch die Verarbeitung von Wolfram mittels Substratvorwärmung.

Technische Daten:

• 4-Laser-Konfiguration über die gesamte Bauplattform
• Laserleistung: 4× Laser à 750 W
• Laserfokusdurchmesser: 90 – 500 µm
• Bauraumgröße: Ø400 × 400 mm³
• Minimale Schichtdicke: 10 µm
• Substratvorwärmung: bis 500 °C auf der Ø400 mm Plattform
• Substratvorwärmung: bis 500 °C
• Werkstoffe: AlSi10Mg, 316L (1.4404), 42CrMo4 (1.7225), Wolfram

Hersteller: Aconity3D GmbH

AM-Labor-Standort: Augsburg

Forschungs- und Industriemaschine nach Sonderanfertigung für BMW. Die Maschine ist mit Vorwärmeinrichtung, umfangreicher Prozessüberwachungstools und modifizierter 4-Laser-Konfiguration für die industrielle Produktion großer Bauteile auf einer großformatigen Bauplattform konzeptioniert. Weitere Modifikationen sind möglich.

Technische Daten:

• Bauvolumen: Ø98 × H100 mm³
• Grüner Laser 
• Werkstoffe: Reinkupfer, Kupferlegierungen (z.B. CuCr1Zr), 1.4006

Industriemaschine mit hoher Produktivität nach dem aktuellen Stand der Technik. Mit dem grünen Laser (λ = 515 nm) lassen sich für den Infrarotlaser (λ = 1064 nm) üblicherweise hochreflektierende Werkstoffe (z.B. Kupfer) in einem breiten Prozessparameterfenster verarbeiten.

Technische Daten:

• Bauvolumen: ca. 1 x 1 x 1 m³
• 2 Pulverförderer für Multimaterial als Verbundmaterial und Materialverbunde
• Auftrag von Metall auf Kunststoffe
• Kein Aufschmelzen der Metallpartikel oder des Substrats
• Werkstoffe: Kupfer, CuCr1Zr, Inconel 718, 625, H13, MAR 257, MHA 3300, Invar36, Ti-6Al-4V, Tantal, Aluminium: 6061, 7010, 2024

Hersteller: Plasma Giken PCS-100 | Dycomet Europe B.V.

CSAMLab bestehend aus einer Kaltgasspritzanlage Plasma Giken PCS-100, 2x Roboter ABB IRB 4600, Werkstückpositionierer ABB IRBP A500 und die für den Betrieb notwendige Peripherie. System mit hoher Flexibilität das für die Additive Fertigung als auch für die Beschichtung von Komponenten zum Einsatz kommen kann.

Technische Daten:

• Multijet-Druckkopf
• Bauraumgröße 500 mm x 400 mm x 300 mm
• Schichtstärke: 150 µm
• Baufortschritt: 21 mm/h (= 4,24 l/h)

Hersteller: voxeljet AG

AMLab-Standort: Garching

Das 3D-Drucksystem VX500 von voxeljet fertigt schnell und wirtschaftlich Einzelformen und Kerne, wobei detailgenaue Kunststoffmodelle mit PMMA und hoher Oberflächenqualität möglich sind. Als Partikelmaterial kann Kunststoff oder Sand verwendet werden.

Technische Daten:

• Laserleistung: 30 W
• Verarbeitbare Materialien: Polyamid, Polystyrol
• Bauraumgröße: 200 mm x 250 mm x 330 mm
• Verwendete Schichtdicke: 0,1 mm
• Typische Durchlaufzeit: 24 Stunden

Hersteller: EOS Electro Optical Systems GmbH

AMLab-Standort: Garching

Das kompakte Laser-Sinter-System FORMIGA P 100 ermöglicht die Herstellung von Kunststoffprodukten aus Polyamid und Polystyrol. In einem Bauraum von 200 mm x 250 mm x 330 mm können Kleinserien und individualisierte Produkte mit komplexen Geometrien wirtschaftlich produziert werden.