Metallbasierte Additive Fertigung

Additive Fertigung von Metallen und metallischen Multimaterial-Bauteilen

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 werden unterschiedliche Verfahren zur metallischen additiven Fertigung beforscht. Dabei beschäftigen wir uns mit allen Aspekten der Maschinen und Anlagentechnik ebenso wie relevanten Anwendungen und dem Markt für Additive Fertigung:

- Wir entwickeln Prozessparameter für die Verarbeitung von speziellen Werkstoffen. Einsatzstähle, Kupferlegierungen und Wolfram-Legierungen zählen zu den interessantesten Erfolgsgeschichten.

- Sie werden von uns beraten, wenn Sie sich für einen Einstieg in die Additive Fertigung interessieren. Potenzialanalyse, Geschäftsmodellentwicklung, Laborplanung und Arbeitsschutzberatung gehören zu unseren zentralen Kompetenzen.

- Qualität wird bei Ihnen großgeschrieben? Wir analysieren Prozess- und Rohmaterialqualität, entwickeln Prozessüberwachungslösungen und beraten Sie im Bereich der Prozess- und Bauteilzulassung.

- Modifikationen an Industriemaschinen ermöglichen uns bestehende Lösungen deutlich weiterzuentwickeln. Multimaterialverarbeitung im Pulverbett, automatisierte Sensorintegration und Automation von hybriden Bauweisen lassen sich dadurch auf ein neues Level heben.

 

Als Fertigungstechnologien kommen dabei zum Einsatz:

Laser Beam Melting (LBM): Gyroidstruktur mit Edelstahllegierung
© Fraunhofer IGCV
PBF-LB/M-Prozess (pulverbettbasiertes Schmelzen von Metall mittels Laserstrahl): Gyroidstruktur mit Edelstahllegierung

Funktionsintegration, Multimaterialverarbeitung und Sensorintegration

Funktionsintegration durch Multimateriallösungen

Funktionsintegration bildet eines der zentralen Schlagworte in der additiven Fertigung. Geometrische Formen neu zu denken ist gleichzeitige eines der großen Potenziale und die große Herausforderung. Der Schichtweise Aufbau erlaubt uns in der Wahl der geometrischen Formen völlig neue Wege zu gehen. In den allermeisten Fällen fehlt es hier aber an der Ausbildung bzw. stehen uns Ingenieur:innen die konventionellen Denkmuster aus der Konstruktion im Weg.

Denken in Funktionen, Bauteiloptimierung und „Design for Additive Manufacturing“ stellt für Sie kein Problem dar? Sie wissen bereits welche Funktionen ihr Bauteil erfüllen muss und benötigen höchste Leistungsausbeute auf kleinem Bauraum?

Dann sollten wir uns zur Multimaterialverarbeitung unterhalten!

Mithilfe der additiven Multimaterialfertigung kombinieren wir mehrere Metalllegierungen in einem Bauteil, sodass sowohl das Strukturmaterial (in der Regel mit hoher Festigkeit) als auch ein weiteres Funktionsmaterial (bspw. mit hoher Wärmeleitfähigkeit) so angeordnet werden, dass eine für die Komponente ideale Funktion realisiert wird. Im Rahmen unseres Multimaterialzentrums beforschen wir zahlreiche Aspekte der Multimaterialfertigung.

Das alles reicht Ihnen noch nicht?
Alles hat heute bereits eine „Intelligenz“: 

Dann sollten wir über Smart Parts sprechen!

Der Schichtweise Aufbau der additiven Fertigung ermöglicht uns auch Sensorik im inneren der Bauteile zu positionieren (z. B. im Projekt KINEMATAM) oder diese Sensoren mittels Multimaterialverarbeitung direkt herzustellen. Die sprichwörtliche Gesundheit des Bauteils kann dadurch rund um die Uhr und an einer zentralen Stelle überwacht werden.

Schneller, Größer, Günstiger: Aufstrebende Technologien in der Additiven Fertigung

Die Additive Fertigung entwickelt sich stetig weiter und insbesondere der Ruf nach größeren Komponenten, höheren Fertigungsgeschwindigkeiten und günstigeren Verfahren wird immer lauter. Auch wir am Fraunhofer IGCV tragen dem Rechnung und beschäftigen uns mit einer Reihe an aufstrebenden Technologien.

Hybride Bauweisen

Bei der Nutzung hybrider Bauweisen wird nur der Teil der Komponente mittels Additive Fertigung hergestellt, an dem die Fertigungstechnologie auch einen Mehrwert erreichen kann. Dazu wird ein Grundkörper mithilfe eines günstigen anderen Fertigungsverfahrens hergestellt, in einer AM-Maschine positioniert und ausgerichtet, sodass der komplexe Teil des Bauteils mit hoher Positioniergenauigkeit auf den Grundkörper aufgebracht wird. In unserem Projekt Autohybrid wird diese Möglichkeit der Fertigung genauer erforscht.

Hochdruck-Kaltgasspritzen

Im Bereich der großen Bauteile haben wir uns für die Weiterentwicklung des Hochdruck-Kaltgasspritzens hin zur Additiven Fertigungstechnologie entschieden. Das Verfahren ermöglicht sehr hohe Auftragsraten (bis zu 10kg/h) und es können Materialien kombiniert werden, die bspw. mit schweißtechnischen Verfahren nur sehr umständlich zu fügen sind. In den Projekten FASTMULT, Coldspraymult und ACCURACY werden hierzu Grundlagen erarbeitet.  

Liquid Metal Printing

Eines der jüngsten Verfahren in unserem Labor bildet das so genannte Liquid Metal Printing (LMP), welches z. B. in unserem Projekt AluWire LMP zusammen mit der Firma Grob weiterentwickelt wird. Bei diesem Verfahren wird in einem kleinen Tiegel Schmelze erzeugt und es werden flüssige Tröpfchen abgelegt um das Bauteil zu erzeugen. Als Rohmaterial wird ein Aluminiumdraht genutzt. Insbesondere für die Verarbeitung von Aluminiumlegierungen lassen sich dadurch Produktionskosten und Fertigungszeiten im Vergleich zu anderen additiven Fertigungsverfahren deutlich reduzieren.

Metal Binder Jetting  

Das Metal Binder Jetting als sinterbasierte AM-Technologie ist besonders für die Herstellung kleiner Bauteile in größerer Stückzahl geeignet. Zudem lassen sich aufgrund des Sinterprozesses Materialien verarbeiten, die durch schmelz- oder schweißbasierte Verfahren nicht verarbeitbar sind. Der Fokus wird in diesem Bereich auf Stähle und Hartmetalle gelegt.

Roboter-basiertes Kaltgasspritzen zur additiven Fertigung von Multimaterialbauteilen
© Fraunhofer IGCV
Roboter-basiertes Kaltgasspritzen zur Additiven Fertigung von Multimaterialbauteilen
LMP-Bauteile
© Fraunhofer IGCV
Liquid-Metal-Printing | li: LMP-gefertigte Probekörper aus AlSi12 unter Variation der Tropfenerzeugung und Umgebungsbedingung re: LMP-gefertigte Schneeflocke
Multimateriallösungen | Brennkammer für Raketentriebwerk
© Fraunhofer IGCV
Hybride Bauweisen: Schnittmodell einer Brennkammer eines Raketentriebwerks mit integrierten Kühlkanälen in verkleinertem Maßstab aus den Werkstoffen CW106C und 1.2709, gefertigt im PBF-LB/M-Prozess (pulverbettbasiertes Schmelzen von Metall mittels Laserstrahl).

Referenzprojekte Additive Fertigung

Hier finden Sie eine Auswahl an Referenzprojekten des Fraunhofer IGCV zur Additiven Fertigung. Mehr Projekte, zu weiteren Themen, finden Sie hier.

Bitte beachten Sie, dass zunächst immer nur 10 Projekte pro Seite angezeigt werden und Sie gegebenenfalls umblättern müssen!

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  • Projekt zum Thema Composite Recycling, Copyright: eaumstocker - stock.adobe.com
    © eaumstocker - stock.adobe.com

    Das Recycling von kohlenstofffaserhaltigen Abfallstoffen hat sich inzwischen zu einer weitreichenden Aufgabe auf dem Weg in Richtung einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft entwickelt. Im Projekt CaRMA wurden recycelte Carbonfasern mit zusätzlichen strukturellen oder funktionellen Faseranteilen (z. B. Glas-, Natur-, Aramidfasern) vermischt, um somit das Leistungsspektrum des neuartigen Werkstoffs signifikant zu erweitern.

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  • Titelbild, Kachel, Icon zum Thema Laserstrahlschmelzen in der Additiven Fertigung

    Die zunehmende industrielle Relevanz des Laser-Strahlschmelzens (LPBF) zur Fertigung metallischer Bauteile hat in den letzten Jahren nicht nur zu neuen Entwicklungen geführt, sondern auch Limitationen aufgezeigt. Zur Untersuchung einer Übertragbarkeit der elektrofotographischen Pulverapplikation auf den LBM-Prozess werden im Projekt PHOTOAM die Prozessphasen sequenziell untersucht. So wird essentielles Prozesswissen erarbeitet, eine Anlagenimplementierung vorbereitet und die Erschließung der Potenziale für die Additive Fertigung vorangetrieben.

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  • Titelbild, Kachel, Icon zu Zusammenarbeit
    © Shutterstock | Rawpixel.com

    Kunden erwarten inzwischen erhöhte Anpassungs- und Konfigurationsmöglichkeiten für ihre Produkte bei gleichzeitig erhöhtem Qualitätsanspruch. Im Gegensatz zu bisherigen Konfigurationslösungen erlaubt es InnoCyFer dem Kunden, in den Produktentwicklungsprozess einzugreifen und eigene Produktvorstellungen einzubringen mithilfe flexibler Fertigungssysteme. InnoCyFer fasst derartige Anlagen und intelligente Objekte als Cyber-Physische Fertigungssystem zusammen.

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  • Projekt zum Thema Multimaterial

    Was bei der Produktentwicklung und Baudatenvorbereitung beachtet werden muss, um mechatronische Multimaterial-Bauteile und Sensoren zu integrieren, untersuchten die Forschenden im inzwischen abgeschlossenen Projekt »MULTIPE«. Hierbei sollte auch die die Vorgehensweise bei der Gestaltfindung von Bauteilen (beispielsweise Greifer) optimiert werden.

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  • Titelbild, Kachel, Icon zum Thema Multimaterial

    Das Forschungsprojekt MULTISURV erforschte in Zusammenarbeit mit dem Multimaterialzentrum Augsburg Methoden der Prozessüberwachung bei der Multimaterialverarbeitung. Beispiele dafür sind die Pulverbettüberwachung und die Qualitätskontrolle verfestigter Schichten, beides mittels aktiver Thermografie. Ein weiteres Gebiet stellt die Spektroskopische Analyse der Prozessemissionen dar.

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  • Titelbild, Kachel, Icon zu Kaltgasspritzen in der Additiven Fertigung
    © A3 | Christian Strohmayr

    Ziel des Projekts HYBDED ist die Implementierung mechatronischer Komponenten in ein kaltgasgespritztes Bauteil mittels RFID-Tag, wodurch eine hohe Auftragsrate und damit kurze Fertigungszeiten ermöglicht werden. Mit der Integration von Sensoren in Bauteile können Daten an bisher nicht oder nur sehr schwer zugänglichen Positionen erfasst werden.

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  • Roboter-basiertes Kaltgasspritzen zur additiven Fertigung von Multimaterialbauteilen
    © Fraunhofer IGCV

    Roboter-basiertes Kaltgasspritzen zur additiven Fertigung von Multimaterialbauteilen

    Die additive Fertigung von großvolumigen Multimaterialbauteilen mittels des Roboter-geführten Kaltgasspritzens eignet sich beispielsweise für Strukturbauteile in der Luft- und Raumfahrt.

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  • Projekt zum Thema Technische Sauberkeit, Copyright: Fraunhofer IGCV | Bernd Müller
    © Fraunhofer IGCV | Bernd Müller

    Additive Fertigung macht es möglich Bauteile mit komplexen Geometrien herzustellen. Durch die Flexibilität in der Fertigung wird aber auch die Reinigung der teils sehr filigranen Teile immer komplexer, weshalb konventionelle Bauteilreinigungsmethoden nicht ausreichen und die Bauteile beschädigen könnten. Das Projekt MULTIREIN konzentrierte sich auf die bauteilspezifische Reinigung additiv gefertigter Teile in mehreren Schritten.

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  • Projekt zum Thema Multimaterial

    Wichtig ist es bei der additiven Verarbeitung von Materialkombinationen, Pulverwerkstoffe wieder verwenden zu können. Werden mehrere Metallpulver eingesetzt, vermischen sich diese beim Multimaterial-Laserstrahlschmelzprozess (LBM-Prozess) zu einem gewissen Grad. Jedoch kann nicht verfestigtes Metallpulver nach dem Bauprozess aufbereitet und für weitere Baujobs erneut eingesetzt werden (Projekt »MULTITRENN«). Die Mitarbeitenden testeten hierfür relevante Sortierverfahren und entwickelten sie zu einer industrietauglichen Lösung weiter.

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Weitere Projekte

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

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