FASTMULT | Additive Fertigung von Multimaterialbauteilen

Additive Fertigung von großvolumigen Bauteilen

Die Herstellung großvolumiger Bauteile ist für jede Fertigungstechnologie herausfordernd: sei es durch die zu bewegende Masse (Massenträgheit), das zu handhabende Volumen (beispielsweise die zu spanende oder gießende Materialmenge, Werkzeugverschleiß, Bearbeitungszeit) oder die hohen Kosten des Rohmaterials bzw. der Halbzeuge. Abhilfe kann hierbei die Additive Fertigung schaffen, die gezielt nur an Stellen den Werkstoff aufbringt, an denen dieser auch später benötigt wird. Dies ist vor allem für großvolumige Bauteile aus hochpreisigen Werkstoffen von Interesse, wie beispielsweise bei Strukturteilen in der Luft- und Raumfahrt.

Kaltgasspritzen ermöglicht hohe Aufbauraten und die Additive Fertigung von endkonturnahen Multimaterialbauteilen

Im Rahmen des Projekts FASTMULT soll die Additive Fertigung von großvolumigen Multimaterialbauteilen mittels des Roboter-geführten Kaltgasspritzens (vgl. Abbildung 1) untersucht werden. Beim Kaltgasspritzen werden Metallpartikel mittels eines hochverdichteten Gasstroms 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 Pulverbett-basierten Laserstrahlschmelzen, 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 wird eine Spritzkabine mit zwei Industrierobotern und einem Kaltgasspritzsystem aufgebaut (vgl. Abbildung 2). Dieses hat eine maximale Betriebstemperatur von 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 (vgl. Abbildung 3). Bei der sequentiellen Materialzuführung werden die Materialien nacheinander aufgebracht 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. 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.

Abbildung 1: Roboter-basiertes Kaltgasspritzen zur Additiven Fertigung von Multimaterialbauteilen
© Fraunhofer IGCV
Abbildung 1: Roboter-basiertes Kaltgasspritzen zur Additiven Fertigung von Multimaterialbauteilen
Abbildung 2: Spritzkabine und Peripherie für die Additive Fertigung mittels Kaltgasspritzen
© Fraunhofer IGCV
Abbildung 2: Spritzkabine und Peripherie für die Additive Fertigung mittels Kaltgasspritzen
Abbildung 3: Mittels Kaltgasspritzen hergestelltes Multimaterialbauteil aus einer Kupferlegierung und einer Nickel-Basislegierung (Die Schichten wurden teilweise mit einer sequenziellen Materialzuführung als auch mit einer simultanen Materialzuführung hergestellt.)
© Fraunhofer IGCV
Abbildung 3: Mittels Kaltgasspritzen hergestelltes Multimaterialbauteil aus einer Kupferlegierung und einer Nickel-Basislegierung
(Die Schichten wurden teilweise mit einer sequenziellen Materialzuführung als auch mit einer simultanen Materialzuführung hergestellt.)

Herstellung endkonturnaher Multimaterialbauteile mittels Kaltgasspritzen

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.

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

Mittels Kaltgasspritzen hergestellter Grundkörper aus einer Kupferlegierung auf einer Aluminiumbodenplatte
© Fraunhofer IGCV
Mittels Kaltgasspritzen hergestellter Grundkörper aus einer Kupferlegierung auf einer Aluminiumbodenplatte

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