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:

 

  • Pulverbettbasiertes Schmelzen mittels Laser (PBF-LB/M)
  • Liquid Metal Printing (LMP) bzw. inkrementelles Gießen
  • Metal Binder Jetting (MBJ)
  • Hochdruck-Kaltgasspritzen (CS)
Laser Beam Melting (LBM): Gyroidstruktur mit Edelstahllegierung
© Fraunhofer IGCV
Laser Beam Melting (LBM): 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 additive 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 Stählen 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).

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

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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  • Projekte zum Thema Additive Fertigung

    Im erfolgreich abgeschlossenen Projekt »Qualifizierung der Additiven Fertigung für verfahrenstechnische Druckgeräte (QuAFD)« wurden Werkstoffzustände und -eigenschaften an (Behälter-) Wänden für den Werkstoff 1.4404 (austenitischer Edelstahl) im Bereich von 1 – 5 mm Dicke untersucht. Unterschiede zwischen gleichen Fertigungssystemen und Aufbaurichtungen konnten gezeigt und quantifiziert werden. ]. Folgend wurden Gestaltungsregeln und Vorgehensweisen für eine sichere Auslegung abgeleitet

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

    Leichtbau bietet in Zahnradgetrieben die Möglichkeit, die zu beschleunigenden Massen und Trägheitsmomente zu reduzieren, was die Ressourceneffizienz verbessert. Im vorliegenden Projekt wird daher die Verarbeitung des Einsatzstahls 16MnCr5 für das Laser-Strahlschmelzen angestrebt. Außerdem werden anforderungsgerechte Leichtbauansätze entwickelt und die Tragfähigkeit der Zahnräder wird getestet.

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  • Projekt zum Thema Produktion

    Der Einsatz von Spezialwerkstoffen ist in der Raumfahrt unumgänglich. Additive Fertigung bietet hierbei neues Potenzial zur Umsetzung funktionsoptimierter Designs beispielsweise durch Pt-Legierungen in additiv gefertigten Brennkammern aus Pt-Rh 80-20. Erste Heißtests wurden bereits erfolgreich durchgeführt und ermöglichen eine Steigerung der Wirtschaftlichkeit und Performance.

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  • Projekte zum Thema Additive Fertigung

    Das Projekt »AluWireLMP« konzentriert sich auf die Entwicklung und Optimierung der drahtbasierten Additiven Fertigungstechnologie Liquid-Metal-Printing (LMP). Sie ermöglicht die Herstellung von Aluminiumbauteilen mit hoher Genauigkeit, Festigkeit und Effizienz durch schichtweises Auftragen und Schmelzen von Aluminiumdraht. Das Projekt zielt darauf ab, die Wettbewerbsfähigkeit von Aluminium in der Additiven Fertigung zu stärken und neue Anwendungen in verschiedenen Branchen zu erschließen.

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  • Projekte zum Thema Additive Fertigung

    Das Projekt CondMon3D beschäftigt sich mit der Nutzung von Kamerabildern einer Prozessraumkamera im Inneren eines 3D-Druckers, um Messdaten für die zu erwartende Bauteilqualität zu gewinnen und während des Prozesses nachjustieren zu können.

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

    Insbesondere das Laserstrahlschmelzen birgt aufgrund seiner Freiheit bei der Geometrieerzeugung und der Wirtschaftlichkeit für geringe Stückzahlen großes Potenzial für die Herstellung patientenindividueller Implantate in der Medizintechnik. Im Projekt MAIA wurden Handlungsempfehlungen zur Herstellung und Verarbeitung von Pulvern der medizintechnisch relevanten Werkstoffe erarbeitet.

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

    Das Laserstrahlschmelzen sowie die Anpassung der Wärmebehandlung an die spezifischen Eigenschaften der additiv gefertigten Bauteile ermöglichen neue und einzigartige Möglichkeiten in der Formgebung. Für eine möglichst hohe Dichte wurden geeignete Fertigungsparameter ermittelt und überprüft, sowie Prozessparameter zur Charakterisierung einer möglichen Anisotropie des Werkstoffs entwickelt.

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  • Titelbild, Kachel, Icon zum Thema Bauteildesign
    © Fraunhofer IGCV

    Um den Reinigungsprozess komplexer Gussformen einfacher zu gestalten, sollen die Formen in einzelne, tragfähige Schichten mit leichter zu reinigenden Geometrien erzeugt werden. Das Schichtbauverfahren mittels Binderjetting ermöglicht eine automatisierte Reinigung und anschließendes Stapeln der Schichten.

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Weitere Projekte

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

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