Additive Fertigung | Metall und Multimaterial

Dieser Stator für einen Radialfluss-Elektromotor wurde vom Fraunhofer IGCV gefertigt und nutzt die fortschrittliche Multimaterial-Fertigungstechnologie, die zu dem innovativen Design geführt haben. In Zusammenarbeit mit Leap71 wurde der Stator unter Einsatz von Computational Engineering optimiert. Hierbei kamen Algorithmen zum Einsatz, die basierend auf technischen Anforderungen automatisch das Design des Motors generieren. Diese Methodik ermöglicht schnelle Designiterationen und eine Anpassung an spezifische Produktionsprozesse, wodurch Motoren künftig noch leistungsfähiger und anwendungsspezifischer gestaltet werden können. Dieses Bauteil repräsentiert einen wichtigen Schritt in der Weiterentwicklung von Elektromotoren und eröffnet neue Möglichkeiten für zukünftige Motorgeometrien und -anwendungen. Durch den Einsatz der additiven Multimaterial-Fertigung konnte eine neue Designfreiheit erreicht werden, die es erlaubt, effizientere, maßgeschneiderte Motoren zu entwickeln. Fraunhofer IGCV arbeitet darüber hinaus an der Integration weiterer Materialien wie Keramik sowie an der Einbindung von integrierten Sensoren, um die Funktionalität der Bauteile weiter zu steigern.

Effiziente Antriebe für Raketen sind seit den 60er Jahren in der Entwicklung. Das Aerospike Triebwerk bietet durch seine einzigartige Geometrie das Potenzial eine Leistungssteigerung von bis zu 20 % gegenüber der aktuellen Triebwerksgeneration zu erreichen. Das Konzept ließ sich bisher allerdings aufgrund von technischen Herausforderungen, die mit klassischen Design- und Fertigungsmethoden nicht bewältigt werden konnten, nicht für den Einsatz in Trägerraketen umsetzten. Vor allem für die Problem mit einer Überhitzungen im Spike konnten bis dato nicht behoben werden. Dank neuer Möglichkeiten der additiven Multi-Material-Fertigung bieten sich hier neue Ansätze:

Ein von LEAP71 mithilfe von Computational Engineering entwickeltes Aerospike-Triebwerk wurde vom Fraunhofer IGCV aus zwei verschiedenen Werkstoffen mittels pulverbettbasiertem Laser-Strahlschmelzen gefertigt. 

Das Fraunhofer IGCV hat in Kooperation mit der Nikon SLM Solutions AG ein Dual-Metall-Auftragsmechanismus für die SLM-Solutions-Anlage SLM 280 HL entwickelt, welcher die Fertigung von großvolumigen Multimaterial-Bauteilen ermöglicht. Hierbei wird gleichzeitig eine gezielte Materialverteilung in jedem Voxel des Bauteils, eine Funktionsintegration sowie ein komplexes Design umsetzbar.

Hochtemperaturbelastete Bereiche des gesamten Triebwerks werden aus Kupfer gefertigt, welche zusätzlich wärmeleitenden Verbindungen zu weniger stark überhitzten Bereichen darstellen. Segmente des Aerospikes mit hoher struktureller Belastung bestehen hingegen aus einem hochfesten Stahl. Das Aerospike-Triebwerk ist ganzheitlich integriert. Kupferrippen an der Außenseite dienen sowohl als Kühlungselemente als auch als strukturelle Elemente. Aufgrund dieser Designphilosophie wirkt das Triebwerk organischer als herkömmliche Raketentriebwerke. 

Fidentis ist ein innovatives Spin-off des Fraunhofer IGCVs, das sich auf die kosteneffiziente, individualisierte Herstellung von Zahnersatz, insbesondere Teleskopprothesen, spezialisiert hat. Es nutzt additive Multimaterial-Fertigung, um Zahnersatz herzustellen, der traditionell sehr teuer ist, aber durch diese Technologie für eine breitere Patientenbasis erschwinglicher gemacht wird.
Die Herstellung der Zahnkrone aus Kobalt-Chrom und Gold erfolgt mittels des PBF-LB/M Verfahrens, dem pulverbettbasierten Schmelzen mittels Laser (Laser-Based Powder Bed Fusion).  

Fidentis verwendet digitale Lösungen und fortschrittliche Fertigungstechnologien, um den Herstellungsprozess von Teleskopptrothesen zu automatisieren und die Produktionskosten zu senken. 

Die additive Multimaterialfertigung ist eine zukunftsweisende Technologie für maßgeschneiderte und effiziente Lösungen in der Batteriezellproduktion. Die herkömmliche Herstellung von Deckelbaugruppen ist oft ein langwieriger Prozess, der teure und unflexible Werkzeuge erfordert. Im Gegensatz dazu revolutioniert die additive Multimaterialfertigung die Branche mit einer flexiblen, werkzeuglosen Lösung, die sowohl Zeit als auch Kosten spart. Besonders in der frühen Entwicklungsphase von Batteriezellen, wo maßgeschneiderte Geometrien und kleine Stückzahlen gefragt sind, wird der Vorteil dieser Technologie deutlich.

Dabei bietet speziell das additive Verfahren des Pulverbettbasiertes Schmelzen mittels Laser PBF-LB/M (Laser-Based Powder Bed Fusion) ein besonderes Potenzial:

• Verarbeitung von leitfähigen Materialien wie Kupfer oder Aluminium in Kombination mit isolierender Keramik
• Kompletter Aufbau der Deckelbaugruppe in einem einzigen Prozess
• Geometrieflexible Fertigung mit Reduzierung von Montageschritten

Kernfusion hat großes Potenzial für die Energiegewinnung, da sie eine nahezu unerschöpfliche und saubere Energiequelle bieten könnte. Dafür müssen aber noch einige technologische Hürden gemeistert werden. Dabei geht es z. B. darum, Materialien zu finden, die den extremen Bedingungen in Kernfusionsreaktoren standhalten. Wolfram-Kupfer-Verbundmaterialien könnten eine vielversprechende Lösung sein.

In einem Projekt mit dem schwedischen Unternehmen Freemelt AB untersuchen wir die Eignung von Wolfram für Fusionsreaktoren im Rahmen des EU-Technologieentwicklungsprogramms Fusion for Energy (F4E). 👩‍🔬🧑🏽‍🔬

Ziel ist die Qualifizierung der Wolframkomponenten für den Einsatz in der hochbelasteten Fusionskammer. Unser Fokus ist die Weiterentwicklung von Fügetechniken zwischen Wolfram und Kupfer. Diese Materialkombination spielt eine zentrale Rolle beim thermischen Management von Reaktorkomponenten, da Wolfram den extremen Temperaturen standhält, während Kupfer für eine effektive Wärmeabfuhr sorgt. Durch eine maßgeschneiderte Verteilung dieser beiden Materialien könnten Komponenten entwickelt werden, die optimal für den Einsatz in Kernfusionsreaktoren sind – hitzebeständig und gleichzeitig in der Lage, überschüssige Wärme effizient abzuleiten. Wolfram ist in Hinblick auf dessen Beständigkeit unter intensiver Strahlungs- und Hitzebelastung das vielversprechendste Material für die dem Plasma zugewandte Komponenten (Plasma Facing Components – PFC). Verbundstrukturen aus Wolfram und Kupfer könnten als optimierte PFC-Wärmesenken mit maßgeschneiderter W-Cu-Materialverteilung dienen.

Der Bedarf an individualisierten Bauteilen mit integrierter Elektronik und hoher geometrischer Komplexität steigt kontinuierlich und erfordert ein hohes Maß an Flexibilität in der Fertigung. Ergänzend zur Multimaterialbauweise begegnet das Fraunhofer IGCV diesen Anforderungen durch die Integration von Sensoren direkt im Aufbauprozess des Laser-Strahlschmelzens (PBF-LB/M). Das Schicht-für-Schicht-Prinzip der additiven Fertigung ermöglicht es, Sensoren gezielt an der Wirkstelle zu platzieren, wo sie zuverlässig vor Umwelteinflüssen geschützt sind.

Je nach Anwendungsfall und Sensortyp wird entweder eine manuelle oder eine automatisierte Integration über einen Pick-and-Place-Mechanismus verwendet. In beiden Fällen ist nach der gezielten Unterbrechung des Bauprozesses zunächst eine Pulverentfernung erforderlich. Anschließend wird der Sensor in die vorbereitete Kavität eingelegt, fixiert und die Öffnung verschlossen, sodass der PBF-LB/M-Prozess fortgesetzt werden kann.

Für unterschiedliche Anwendungen konnten bereits verschiedene Sensortypen erfolgreich integriert werden. Dazu zählen dehnungsmessende Sensoren wie Dehnmessstreifen und Faser-Bragg-Gitter ebenso wie temperaturmessende Sensoren, beispielsweise Thermoelemente. Auch RFID-Chips wurden in verschiedenen Bauteilen eingesetzt, etwa in einem smarten Fingerring (siehe Abbildung).

Lineare Teilchenbeschleuniger (Linacs) finden in Medizin, Forschung und Industrie breite Anwendung, doch ihre Herstellung ist aufgrund traditioneller Fertigungsmethoden oft sehr kostspielig. Die additive Fertigung (3D-Druck) könnte diese Kosten erheblich senken und sogar die Leistung von Linacs verbessern.
Diese Studie untersucht dieses Potenzial, indem sie einen Radiofrequenz-Quadrupol (RFQ) – ein Schlüsselelement eines Linacs – mithilfe der Multimaterial-Laser-Pulverbettfusion (PBF-LB/M), einer Art des Metall-3D-Drucks, herstellt. Zum ersten Mal wurden zwei Materialien in einem Schritt kombiniert: eine Kupferlegierung (CuCr1Zr) für den Innenraum und ein Werkzeugstahl (1.2709) für die Außenhülle. Das Design umfasste außerdem sechs ConFlat®-Flansche zur Abdichtung, die die Montage vereinfachen und die Funktionalität verbessern.

Tests am Prototyp untersuchten dessen Präzision, Oberflächenqualität, Struktur, Vakuumleistung und elektromagnetische Eigenschaften. Die Ergebnisse zeigten, dass dieser 3D-Druckansatz gut funktionierte, ein starkes Vakuum erzielte und das Potenzial der Multimaterialfertigung für RFQs demonstrierte.

Mehr Info im Paper @Springer Nature: https://link.springer.com/article/10.1007/s40964-025-01120-6