FASTMULT | Additive Fertigung von Multimaterialbauteilen

Im Rahmen des Projekts FASTMULT soll die Additive Fertigung von großvolumigen Multimaterialbauteilen mit dem Roboter-geführten Kaltgasspritzens (siehe Abbildung 1) untersucht werden. Beim Kaltgasspritzen werden Metallpartikel mit einem hochverdichteten Gasstrom in einer Düse beschleunigt. Die Partikel verformen sich beim Aufschlag auf die Bauebene plastisch, ohne aufzuschmelzen, und bilden so eine dichte Schicht. Das Bauteil wird durch einen gerichteten, lokalen Materialauftrag schichtweise Bahn für Bahn aufgebaut. Das Verfahren erreicht im Vergleich zu anderen additiven Fertigungsverfahren, wie beispielsweise dem Laser-Strahlschmelzen, hohe Aufbauraten und ist in der Größe des Bauraums weniger limitiert. Da sich dieser Prozess grundsätzlich für mehrere Materialarten einsetzen lässt, besteht die Möglichkeit für eine endkonturnahe Additive Fertigung von Multimaterialbauteilen.

Dazu wurde ein Gesamtsystem für das Kaltgasspritzen im Cold Spray Additive Manufacturing Lab (CSAM Lab) aufgebaut. Dieses besteht aus einer schallisolierten Spritzkabine mit zwei Industrierobotern, einem Dreh- und Kipptisch und dem Kaltgasspritzsystem. Einer der zwei Roboter führt den Kaltgasspritzauftragskopf und der Dreh- und Kipptisch dient zur Positionierung des Bauteils (siehe Abbildung 1). Die für den Betrieb notwendigen Zusatzkomponenten umfassen eine Filteranlage inklusive einer Raumluftabsaugung und einer Stickstoffversorgung als Prozessgas. Das Kaltgasspritzsystem biete eine maximale Betriebstemperatur von bis zu 1.100 °C, einen Betriebsdruck von bis zu 70 bar und ermöglicht so die Verarbeitung eines großen Spektrums an Werkstoffen.

Bei der Herstellung von Multimaterialbauteilen kann zwischen einer sequenziellen und einer simultanen Materialzuführung unterschieden werden (siehe Abbildung 2). Bei der sequenziellen Materialzuführung werden die Materialien nacheinander aufgebracht (siehe Abbildung 3) und es entsteht ein diskreter Materialübergang zwischen den zwei Werkstoffen. Ein Anwendungsfall ist beispielsweise die Kombination von Kupferlegierungen mit bei hohen Temperaturen beständigen Nickel-Basislegierungen für thermisch hoch belastete Bauteile. Durch diese Materialpaarung lässt sich der Wärmeabtransport beschleunigen. Exemplarisch ist dies in der Abbildung 4 mit einer Kupfergrundplatte (konventionell hergestellt) und einer Beschichtung mit einer Nickelbasislegierung. Bei der simultanen Materialzuführung können zwei Materialien gleichzeitig in einem definierten Mischungsverhältnis aufgebracht werden, sofern das Prozessparameterfenster für die unterschiedlichen Materialien ausreichend ähnlich ist. Dieses Vorgehen kann dazu verwendet werden, um einen gradierten Materialübergang zwischen zwei Werkstoffen herzustellen.

Für die Realisierung der beschriebenen Ansätze bedarf es einer prozesstechnischen und werkstofftechnischen Grundlagenforschung. Eine zentrale Herausforderung liegt in der Prozessführung des Kaltgasspritzens für die additive Fertigung von Bauteilen, insbesondere an den Materialübergängen von unterschiedlichen Werkstoffen und der Erreichung der geforderten geometrietreue des aufgebauten Bauteils.

Das Ziel des Teilprojekts FASTMULT besteht darin, sequenzielle und simultane Multimaterial-Bauweisen mit dem Kaltgasspritzen für die Herstellung von großvolumigen Bauteilen zu qualifizieren und anhand von Demonstratorbauteilen zu erproben. Hierbei soll die Fragestellung, wie das Kaltgasspritzen für die Herstellung von endkonturnahen Multimaterialbauteilen verwendet werden kann, beantwortet werden.