Additive-FertigungMultimaterialverarbeitung mittels Laserstrahlschmelzen
Am Fraunhofer IGCV wird seit über drei Jahren an der simultanen Verarbeitung von zwei Metalllegierungen in einem Aufbauprozess beim Laserstrahlschmelzen geforscht. Im Juli 2017 ist der Durchbruch geglückt und das erste Multimaterialbauteil – ein Angussstutzen – konnte erfolgreich aufgebaut werden. Die bayerische Politik hat das Potenzial frühzeitig erkannt und zum 01. Juli 2017 das Multimaterialzentrum Augsburg bewilligt, ein Vorhaben mit bis zu 17 Millionen Euro Fördervolumen.
Mit dem „Angussstutzen“ konnte am Fraunhofer IGCV erstmalig mittels Laserstrahlschmelzen ein 3-D-Multimaterialbauteil von industrieller Relevanz gefertigt werden (Durchmesser 50 mm, Höhe 40 mm).
Dr. Christian Seidel
Abteilungsleiter beim Fraunhofer IGCV in Augsburg
„Die Multimaterialverarbeitung wird der nächste große Schritt in der additiven Fertigung metallischer Bauteile. Das Multimaterialzentrum Augsburg ermöglicht es dem Fraunhofer IGCV, die Entwicklung maßgeblich mitzugestalten.“
Die Fraunhofer-Einrichtung für Gießerei-, Composite- und Verarbeitungstechnik (IGCV) befasst sich seit vielen Jahren mit pulverbettbasierten additiven Fertigungsverfahren, wie dem Laserstrahlschmelzen (LBM), zur Herstellung von metallischen Hochleistungsbauteilen. Beim LBM werden mithilfe eines Laserstrahls dünne Schichten aus Metallpulver selektiv aufgeschmolzen und verfestigt. Derzeit können mit diesem Verfahren Bauteile aus einem Werkstoff, sog. Monomaterialbauteile, hergestellt werden. Multimaterialbauteile hingegen zeichnen sich durch mindestens zwei unterschiedliche Werkstoffe aus, die fest miteinander verbunden sind.
Die Fertigung von 2-D-Multimaterialbauteilen, bei welchen ein Materialwechsel zwischen aufeinanderfolgenden Schichten erfolgt, kann bereits heute bei vielen marktüblichen LBM-Anlagen durch einen zeitaufwendigen manuellen Materialwechsel erfolgen. Dies ist bei einem 3-D-Multimaterialbauteil heute typischerweise nicht möglich, da hier innerhalb einer Schicht beide Werkstoffe vorliegen müssen. Zur Fertigung dieser Bauteile ist es notwendig, den Pulverauftragsmechanismus anzupassen, um die Ablage eines zweiten Werkstoffes in der Pulverschicht zu ermöglichen. Daher wurde am Fraunhofer IGCV ein neuartiger Auftragsmechanismus in eine LBM-Anlage soft- und hardwaretechnisch integriert, sodass nun der Aufbau von 3-D-Multimaterialbauteilen in einer kommerziell verfügbaren Laserstrahlschmelzanlage möglich ist.
CAD-Zeichnung des Aufbaus im Halbschnitt.
3-D-Multimaterialbauteil von industrieller Relevanz
Eine erste Anwendung der modifizierten Laserstrahlschmelzanlage fokussierte die Herstellung von Strukturen aus dem Werkzeugstahl 1.2709 und einer Kupfer-Chrom-Zirkonium-Legierung (CCZ) im Rahmen des Forschungsverbundes ForNextGen. Die Bayerische Forschungsstiftung unterstützte diesen im September 2017 abgeschlossenen Verbund aus sechs akademischen Partnern und 26 Industrieunternehmen, der es zum Ziel hatte, produktionswissenschaftliche Grundlage für den Einsatz additiver Fertigungsverfahren im Werkzeug- und Formenbau zu schaffen. Im Rahmen dieses Projektes konnte im Juli 2017 mit dem „Angussstutzen“ erstmalig ein 3-D-Multimaterialbauteil von industrieller Relevanz am Fraunhofer IGCV gefertigt werden.
Im konkreten Beispiel wurde aus wirtschaftlichen Gründen der Stahlgrundkörper konventionell gefertigt und, in der Funktion als Bauplattform, in die Baukammer eingebracht. Additiv wurden sodann die CCZ- und 1.2709-Bauteilbereiche gefertigt. Dabei bietet der 1.2709-Kern den Abriebschutz für die durchströmende Schmelze und der Kupfermantel trägt zur verbesserten Wärmeabfuhr bei, die eine Reduktion der Zykluszeiten ermöglicht.
Bauraum einer SLM 250HL-Maschine mit den vom Fraunhofer IGCV vorgenommenen Erweiterungen zur Befähigung für die Multimaterialverarbeitung.
Ablauf der Multimaterialverarbeitung mittels Laserstrahlschmelzen nach dem Fraunhofer IGCV-Prinzip.
Draufsicht auf eine Probe mit Kupfer-Chrom-Zirkonium-Kern und 1.2709-Werkzeugstahl-Matrix.
Multimaterialzentrum Augsburg
Das vom Fraunhofer IGCV erarbeitete Multimaterial-Laserstrahlschmelzen bietet dabei großes Potenzial weit über den Werkzeugformenbau hinaus. Dieses Potenzial wurde von der Bayerischen Staatsregierung erkannt. Mit dem Multimaterialzentrum Augsburg wurde zum 01. Juli 2017 eines der größten Projekte zur additiven Fertigung in Deutschland gestartet. Das Gesamtvolumen des 5-Jahres-Projekts beträgt bis zu 17 Millionen Euro. Untersucht wird dabei die additive Fertigung mechatronischer Multimaterialbauteile, sodass zum Projektende beispielsweise ein Angussstutzen mit integrierter Temperatursensorik fertigbar sein soll. Anvisierte Anwendungen außerhalb des Werkzeugbaus umfassen beispielsweise Triebwerks- oder Raumfahrtkomponenten mit integrierter Druck- und Temperatursensorik, Operationswerkzeug mit entsprechender Sensorik, Karosserieknoten für PKW oder Nutzfahrzeuge mit integrierten Dehnmessstreifen, Greifer mit Drucksensorik und Batteriekühlmodule mit Temperaturmesstechnik für die Elektromobilität.
Im Rahmen des Multimaterialzentrums Augsburg werden am Fraunhofer IGCV in Summe zehn Technologieprojekte gestartet, die es erlauben, die Multimaterialverarbeitung sowohl im Bereich der Produktentwicklung, der Prozesstechnik als auch der Prozesskette zu erforschen. Die Technologie Laserstrahlschmelzen wird dabei wieder eine zentrale Rolle einnehmen. Es werden darüber hinaus auch Verfahren des Direct Energy Depositioning (vgl. DIN EN ISO/ASTM 52900) am Fraunhofer IGCV eingeführt und für die Herstellung mechatronischer Multimaterialbauteile weiterentwickelt. Die feierliche Förderbescheidübergabe mit der bayerischen Staatsministerin Ilse Aigner findet am 08. Dezember in Augsburg statt.
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