Werkstoffe für die additive Fertigung

Andrea Gillhuber,

Superlegierungen in der additiven Fertigung

Wissenschaftler des Fraunhofer IWS haben Methoden entwickelt, durch die mehr Werkstoffe als bisher in der additiven Fertigung nutzbar sind. Voraussetzung: die aktuell gängigen industriellen 3D-Drucker verbessern, damit diese Maschinen auch sehr feste und extrem hitzebeständige Legierungen verarbeiten können.

Mittels Laser-Pulver-Auftragschweißen lassen sich Bauteile aus verschiedenen Materialien integral fertigen. So können spezifische Materialien genau dort platziert werden, wo ihre Eigenschaften benötigt werden. © Fraunhofer IWS Dresden

Beim Laser-Pulver-Auftragsschweißen werden verschiedene Zusatzpulver in die Prozesszone gebracht und mithilfe eines Lasers auf die Werkstückoberfläche aufgeschweißt. Der Vorteil: Der Prozess kann an die Anforderungen der Materialien angepasst werden, die sich mit traditionellen Verfahren nur schwer schweißen und verarbeiten lassen. Voraussetzung ist, dass Temperatur, Pulversorten, Förderrate und andere Einstellungen genau stimmen.

Zu diesem Zweck erfassen Ingenieure des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffe und Strahlentechnik IWS im Rahmen des Fraunhofer-Leitprojekts „futureAM – Next Generation Additive Manufacturing“ Sensordaten. Mithilfe von künstlicher Intelligenz und maschinellem Lernen werden diese in einem Arbeitskreis erforscht. Analyse-Algorithmen verknüpfen beispielsweise die ausgemessenen Sensorwerte mit der Pulverdatenbank des Instituts und werten Prozessparameter aus. Mit der Zeit lernen die Maschinen dadurch, selbstständig Entscheidungen zu treffen. Zum Beispiel erkennen sie selbst, ob sich ein leichter Temperaturanstieg im Schweißprozess tolerieren lässt oder ob sie sofort gegensteuern müssen, bevor das ganze Bauteil zum Ausschuss wird.

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In der am Fraunhofer IWS Dresden entwickelten Prozess- und Materialdatenbank sind alle Details zu den gefertigten Bauteilen hinterlegt. © Fraunhofer IWS Dresden

Verfahren in der Praxis

Die Industrie interessiert sich für die Forschung. Der Grund lässt sich am Beispiel von Flugzeugtriebwerke erläutern. Diese könnten heißer und effizienter arbeiten, wenn nicht die Materialien bei Temperaturen um etwa 1.200 °C versagen würden. Zwar existieren Werkstoffe, die resistent gegen solch hohe Temperaturen sind, allerdings lassen sie sich nur schwer mit traditionellen Methoden verarbeiten und sind zudem teuer. Eine Komponente aus einem einzigen Material zu konstruieren ist wenig effektiv, denn das Bauteil ist nicht an allen Punkten derselben Hitze ausgesetzt. Hier könnte das erforschte Verfahren helfen: Mit Laser-Pulver-Auftragschweißen können verschiedene Pulver zeitgleich oder nacheinander mit einstellbaren Förderraten in die Prozesszone gebracht werden. So könnte das teure, hochbeanspruchbare Material nur dort verwendet werden, wo hohe Temperaturen auftreten. An weniger beanspruchten Stellen wäre ein anderes Material ausreichend. Der Haken: Verarbeitet werden können die Superlegierungen nur, wenn die gängigen industriellen 3D-Drucker dahingehend verbessert werden.

Im nächsten Schritt möchten die Forscher verschiedene Hochleistungsmaterialien innerhalb einer einzigen Komponente kombinieren. Im Verbundprojekt „futureAM“ führen das IWS und fünf weitere Fraunhofer-Institute dieses und weiteres Know-how zusammen, um die additive Fertigung auf eine neue Stufe zu heben. Bis zum Sommer 2020 wollen sie all diese Expertise in die Prozesskette der additiven Fertigung integrieren und an handfesten Bauteilen demonstrieren.

Nach Unterlagen des Fraunhofer IWS / ag

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