Metallbasierte Additive Fertigung

Direkte Additive Fertigung von Metallbauteilen#

Die additive Fertigung von Metallbauteilen kann »direkt« oder »indirekt« erfolgen. Bei der »direkten« Herstellung von Metallbauteilen entsteht das Metallbauteil mit vollwertigen Eigenschaften direkt durch den additiven Aufbau. Bei der »indirekten additiven Fertigung« wird durch den 3D-Druck lediglich ein Grünling erzeugt, der dann in Ofenprozessen entbindert und zum gewünschten Metallbauteil gesintert wird. Diese Prozesskette hat eine große Ähnlichkeit zum Metal Injection Moulding (MIM, konventionelles Fertigungsverfahren der Pulvermetallurgie).

Am Fraunhofer IGCV wird ausschließlich an direkten Metall-AM-Verfahren geforscht. Dabei stehen uns die folgenden Verfahren zur Verfügung:

  • Laser-Strahlschmelzen (auch bekannt als Laser-based Powder Bed Fusion, LPBF)
  • Hochdruck-Kaltgasspritzen
  • Draht- und Lichtbogen-basierte Directed Energy Deposition (DED)

Im Fokus der Forschung am Fraunhofer IGCV steht dabei das Laser-Strahlschmelzen, das auch im industriellen Umfeld mit einem Marktanteil von etwa 70 Prozent die größte Bedeutung aufweist.

Laser Beam Melting (LBM): Gyroidstruktur mit Edelstahllegierung
© Fraunhofer IGCV
Laser Beam Melting (LBM): Gyroidstruktur mit Edelstahllegierung

Generative Fertigung: Laser-Strahlschmelzen

Die verwendeten Werkstoffe müssen zunächst in feiner Pulverform vorliegen, um davon eine dünne Schicht auf die Bauplattform auftragen zu können. Anschließend schmilzt ein leistungsstarker Laser das Pulver selektiv auf (engl. laser beam melting, LBM). An welchen Stellen belichtet wird, erschließt sich direkt aus den CAD-Daten des zu fertigenden Bauteils. So wird es möglich, komplexeste Strukturen werkzeuglos zu realisieren, die bei geringem Gewicht höchste Stabilität erzielen können. Zudem ist eine neue Form der Funktionsintegration möglich. Beispielsweise können während des Bauprozesses Kavitäten freigelassen werden, um so Sensorik in Vollmaterialbauteile zu integrieren. Auf diesem Weg können in Bauteilen an Stellen Informationen gesammelt werden, die ansonsten nur schwer oder gar nicht erreichbar sind.

Funktionsintegration durch Multimateriallösungen

Ein weiteres Forschungsgebiet zur Funktionsintegration stellt die Multimaterialverarbeitung dar, bei der mindestens zwei unterschiedliche Materialien verwendet werden. Diese können dann eine beliebige Verteilung sowohl in Aufbaurichtung als auch in der Bauebene aufweisen. Eine mögliche Anwendung wäre beispielsweise ein Hartmetallwerkzeug mit integrierten Kühlkanälen aus Kupfer. Auch kann mit dieser Technik eine Kontaktierung der integrierten Sensorik erfolgen. Die Entwicklung von Multimateriallösungen ist eine Kernkompetenz des Fraunhofer IGCV.

Additive Fertigung in der Industrie

Um das Verfahren allgemein noch wirtschaftlicher zu gestalten, findet eine ständige Optimierung bezüglich In-, Pre- und Post-Process statt. Es werden also ständig innovative Verbesserungen bezüglich des Vorbereitens der CAD- und Baujobdaten, dem Rüsten und Vorbereiten der Laser-Strahlschmelzanlagen bis hin zur Nachbearbeitung der Bauteile und einem idealen Pulverrecycling umgesetzt. An diesen und anderen Forschungsschwerpunkten setzt das Fraunhofer IGCV auf dem neusten Stand der Technik an, um weiterhin Qualität und Effizienz zu steigern, Kosten zu senken und so das rasante Voranschreiten der Additiven Fertigung in der Industrie weiter voranzutreiben.

Werkstoffe und Prozessentwicklung#

Additive Manufacturing Bauteil
© Fraunhofer IGCV
Additive Manufacturing Bauteil
  • Prozessqualifizierung zur Verarbeitung von Sonderlegierungen
  • Multimaterialverarbeitung und kundenspezifische Prozessoptimierung
  • Gestaltung und Optimierung funktionsintegrierter Leichtbauteile
  • Prozessketten für die mehrstufige Additive Fertigung und Metall-CFK-Verbunde

Implementierung und Prozessketten#

Einspritzdüsen aus Platin-Rhodium
© Fraunhofer IGCV
Einspritzdüsen aus Platin-Rhodium
  • Kundenspezifische Technologieimplementierung
  • Systematische Bauteilauswahl
  • Pulverqualität und Pulverrecycling
  • Online-Prozessüberwachung
  • Technologieradar für Trends in der Additiven Fertigung

Referenzprojekte Additive Fertigung#

 

Leichtbau-Zahnrad

  • Verarbeitung von Sonderlegierungen
  • Multimaterialverarbeitung und kundenspezifische Prozessoptimierung
  • funktionsintegrierter Leichtbauteile
  • Prozessketten und Metall-CFK-Verbunde
 

CLLAIM

Ziel des Projekts CLLAIM (Creating KnowLedge and SkilLs in AddItive Manufacturing) ist die Entwicklung eines standardisierten Aus- und Weiterbildungssystems innerhalb der EU für Fachkräfte im Bereich der Additiven Fertigung.

 

MULTIMATERIAL-Zentrum Augsburg

Das MULTIMATERIAL-Zentrum Augsburg ist eines der größten Projekte zur Additiven Fertigung in Deutschland und Europa.

Weitere Projekte

Hier finden Sie einen Überblick zu verschiedenen Referenzprojekten am Fraunhofer IGCV.

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