Aluminiumlegierung

Andrea Gillhuber,

Leichtmetall-Legierung für Additive Fertigung

Weniger Gewicht bei gleichzeitig hoher Sicherheit, das sind die Anforderungen sowohl aus der Luft- und Raumfahrt- als auch aus der Automobilindustrie. Um dies zu erreichen, sind neue Materialien gefragt. Ein Forschungsprojekt mit den Partnern Oerlikon, Linde und der TU München geht die Herausforderung an.

Antennenhalterung von RUAG für den Satelliten Sentinel 1. © Oerlikon

OerlikonLinde und die Technische Universität München entwickeln gemeinsam neue hochfeste Leichtmetall-Legierungen auf Aluminiumbasis. Mit dem Material soll die hohe Nachfrage der Luft- und Raumfahrt- sowie der Automobilindustrie nach mehr Sicherheit und Gewichtsreduzierung erfüllt werden. Das Forschungsprojekt mit einem Volumen von 1,7 Millionen Euro wird vom bayerischen Wirtschaftsministerium zu 50 Prozent finanziert.

Die Verarbeitung einer Aluminiumlegierung mit einem hohen Anteil an leichten Elementen wie beispielsweise Magnesium in einem additiven Fertigungsprozess erfordert ein tiefgreifendes Verständnis der zugrundeliegenden chemischen, thermischen und fluiddynamischen Prozesse. Während des Herstellungsprozesses wird das Metallpulver Schicht für Schicht auf einer Bauplatte per Laser aufgeschmolzen. Der Prozess erfolgt in einer bestmöglich auf die Materialien abgestimmten Schutzgasatmosphäre.

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Drei Partner, drei Expertisen

Oerlikon bringt die Expertise im Bereich von Pulvern und Werkstoffen in die Entwicklung des neuartigen Werkstoffes mit ein. „Dank unserer In-House-Software Scoperta-RAD können wir durch umfangreiche Big-Data-Simulationen und -Analysen hochrelevante Lösungen für die Entwicklung innovativer Werkstoffe bieten oder das Leistungsspektrum bereits verfügbarer Werkstoffe optimieren“, so Dr. Alper Evirgen, Metallurge bei Oerlikon AM. „Die Verarbeitung von Aluminiumlegierungen mittels additiver Fertigung birgt einige Herausforderungen. Die durch die hohen Temperaturen hervorgerufenen extremen Bedingungen im Schmelzbad können dazu führen, dass leichtsiedende Legierungsbestandteile wie Magnesium einfach verdampfen“, erläutert Dr. Marcus Giglmaier, Project Manager AM Institute. „Außerdem werden während des Erstarrungsvorgangs Abkühlraten von mehr als 1 Million °C pro Sekunde erreicht, wodurch extrem hohe Spannungszustände im Material erzeugt werden und sogenannte Mikro-Risse entstehen können.“

Der Schmelzprozess erfolgt in einer Gasatmosphäre. Hier bringt Linde seine Expertise mit ein: Die Kontrolle der Gasatmosphäre während des Fertigungsprozesses hilft, Verunreinigungen im Druckprozess zu vermeiden und optimale Druckbedingungen zu erzielen. „Die Charakterisierung und Kontrolle des Gasprozesses während der additiven Fertigung birgt nicht nur das Potenzial, Verdampfungsverluste zu verhindern, sondern kann auch den gesamten Druckprozess beschleunigen“, erklärt Thomas Ammann, Expert Additive Manufacturing bei Linde. „Die Verwendung von maßgeschneiderten Gasgemischen für die neue Legierung werden dabei helfen, die im Schmelzbad auftretenden Prozesse zu kontrollieren, die Änderungen in der Zusammensetzung der Legierungen zu minimieren und Rissbildung während des Druckprozesses zu verhindern.“

Ein detailliertes Verständnis zu den physikalischen Vorgängen, die während des Prozesses der additiven Fertigung auftreten, konnte sich das Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik (AER) an der Technischen Universität München mithilfe numerischer Simulationen erarbeiten. „Die AM-Forschungsallianz schließt die Lücke zwischen unseren neuesten numerischen Modellierungsergebnissen und künftigen Industrieanwendungen“, sagt Prof. Nikolaus Adams, Lehrstuhlleiter für Aerodynamik und Strömungstechnik. Das Institut hat ein Prozess-Simulationstool entwickelt, das die gesamte Schmelzbaddynamik abdeckt. Es umfasst Modelle für den Phasenwechsel zwischen fest-flüssig-gasförmig und beinhaltet Effekte wie Oberflächenspannung und Wärmetransport. „Ein detaillierter Einblick in alle gleichzeitig auftretenden thermofluiddynamischen Phänomene ist eine wesentliche Voraussetzung für ein besseres Verständnis des Gesamtprozesses und der resultierenden Materialeigenschaften“, fügt Dr. Stefan Adami hinzu.

Entstanden ist die Kooperation in direktem Zusammenhang mit einem im Oktober angekündigten Gemeinschaftsprojekt: Gemeinsam mit GE Additive gaben die drei Projektpartner das Errichten eines bayerischen AM-Cluster (Additive Manufacturing) und eines Instituts für additive Fertigung bekannt, um die Zusammenarbeit und fachübergreifende Forschung zwischen den drei Unternehmen und der Universität zu fördern. Durch die Bündelung komplementärer Kernkompetenzen an einem Standort soll die Industrialisierung der additiven Fertigung beschleunigt werden.

Nach Unterlagen von Oerlikon / ag

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