3D-Druck

Metallbauteile zehnmal schneller 3D-drucken

| Redakteur: Juliana Pfeiffer

Für das LPBF-Verfahren wurde ein neuer Auftragskopf entwickelt, der auch große Metallbauteile bis zu zehnmal schneller als übliche LPBF-Anlagen additiv herstellt. Die LPBF-Anlage bietet einen sehr großen, effektiv nutzbaren Bauraum (1000 mm x 800 mm x 500 mm).
Für das LPBF-Verfahren wurde ein neuer Auftragskopf entwickelt, der auch große Metallbauteile bis zu zehnmal schneller als übliche LPBF-Anlagen additiv herstellt. Die LPBF-Anlage bietet einen sehr großen, effektiv nutzbaren Bauraum (1000 mm x 800 mm x 500 mm). (Bild: Fraunhofer ILT)

Das Fraunhofer-Leitprojekt Future AM will die Additive Fertigung von Metallbauteilen mindestens um den Faktor 10 beschleunigen. Handfeste Ergebnisse liefern die sechs zusammengeschlossenen Fraunhofer-Institute auf der diesjährigen Formnext.

Im November 2017 startete das Fraunhofer-Leitprojekt Future AM. Dafür haben sich sechs Fraunhofer-Institute zusammengeschlossen, um zum einen die ganzheitliche Sicht auf die digitale und physische Wertschöpfung vom Auftragseingang bis zum fertigen metallischen 3D-Druck-Bauteil zu betrachten und zum anderen den Sprung in eine neue Technologie-Generation der Additiven Fertigung zu wagen. An diesem Projekt beteiligen sich die folgenden Fraunhofer-Institute:

  • Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT, Aachen (Projekt-Koordination)
  • Fraunhofer-Einrichtung für Additive Produktionstechnologien IAPT, Hamburg
  • Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM, Bremen
  • Fraunhofer-Institut für Graphische Datenverarbeitung IGD, Darmstadt
  • Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS, Dresden
  • Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Chemnitz

Metall-3D-Druck wird transparent

Eine wichtige Rolle bei Future AM spielt das Virtual Lab, das in enger Zusammenarbeit der beteiligten Institute entsteht. Das Virtual Lab soll künftig über ein Netzwerk und eine Datenbank alle Bereiche und Institute in Sachen metallisches Additive Manufacturing (Metall AM) digital miteinander verknüpfen. Fritz Lange vom Fraunhofer IAPT erklärt: „Die Institute werden über das Virtual Lab die verteilte Fertigung abwickeln und nachvollziehen.“ Geplant ist dazu die geschlossene digitale Abbildung der Kompetenzen und Ausstattung aller beteiligten Institute.

Das Virtual Lab macht den gesamten AM-Prozess transparent und spiegelt ihn digital: Digital Twins ermöglichen den Projektteilnehmern, Prozesse zu modellieren und zu simulieren, um so reale Systeme in allen Bereichen zu optimieren. Das Virtual Lab ist funktionsbereit und wird bereits mit sogenannten Dummy-Daten evaluiert. Aktuell verbinden sich die beteiligten Institute über ihre Datenbank mit dem Virtual Lab, damit es in Kürze seinen virtuellen Betrieb aufnehmen kann.

Heavy Metal aus dem 3D-Drucker

Gitarre aus dem 3D-Drucker

Heavy Metal aus dem 3D-Drucker

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Welche Werkstoffe lassen sich additiv verarbeiten?

Dazu zählt zum Beispiel das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS aus Dresden, das den Part der Werkstoffe betreut. Im Mittelpunkt stehen die Erweiterung des einsetzbaren Spektrums von additiv verarbeitungsfähigen Werkstoffen und ausserdem die Multi-Material-Bauweise: Hier entsteht massgeschneidert mithilfe des Laserauftragschweissens (LMD) ein Bauteil aus verschiedenen Werkstoffen ohne nachgelagerte Fügeprozesse. „Das Verfahren beschleunigt die Materialentwicklungen enorm“, sagt IWS-Wissenschaftler Michael Müller. „Wir erforschen im Verbundprojekt, welche Materialien sich miteinander kombinieren lassen und welche Probleme dabei auftreten.“ Aktuell untersuchen die Dresdener Wissenschaftler, wie sich beispielsweise aus verschiedenen Superlegierungen ein Multi-Material-Bauteil herstellen lässt. Besonders wichtig ist beim Fügen von zwei Werkstoffen die Analyse der Übergangszone zwischen den Materialien. Den Materialübergang der Legierung Inconel 718 zu Merl 72 haben die Forscher mittlerweile optimiert, um Herausforderungen wie Rissbildung oder Versprödung zu minimieren.

Neue skalierbare Metall AM-Prozesse und -Anlagen sind das Thema des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT: Den Aachener gelang beim Extremen Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweissen (EHLA) der Schritt von der Beschichtung zur echten Additiven Fertigung. Mit Industriepartnern entwickelten sie eine 3D-EHLA-Anlage. Darauf wird die Bauplattform extrem schnell parallelkinematisch von drei Linearantrieben mit stillstehendem Laser-Bearbeitungskopf bewegt.

Nicht nur für das Beschichten rotationssymmetrischer Bauteile geeignet: Das EHLA-Verfahren wird nun für die additive Fertigung von 3D-Geometrien weiterentwickelt.
Nicht nur für das Beschichten rotationssymmetrischer Bauteile geeignet: Das EHLA-Verfahren wird nun für die additive Fertigung von 3D-Geometrien weiterentwickelt. (Bild: Fraunhofer ILT)

Für das Laser Powder Bed Fusion (LPBF) wurde ein Optiksystem entwickelt, das im ersten Prototyp eingesetzt wird. Der Prototyp verfügt über einen Bauraum von 1000 mm x 800 mm x 500 mm. Damit können auch grosse Metallbauteile bis zu zehnmal schneller als übliche LPBF-Anlagen additiv hergestellt werden. Zudem steuert ein Software-Modell den Energieeintrag beim Umschmelzen des pulverförmigen Werkstoffs. Christian Tenbrock, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer ILT und Future-AM-Projektkoordinator: „Die Prozessparameter können dabei für jede einzelne Schmelzspur individuell eingestellt werden, um sowohl die Bauteilqualität als auch die Baugeschwindigkeit zu steigern.“

Im Rahmen von future AM haben die Wissenschaftler am Fraunhofer ILT ein Maschinenkonzept zum LPBF von großen Metallbauteilen konzipiert. Das Ergebnis: ein großes Bauteil für die Luft- und Raumfahrt.
Im Rahmen von future AM haben die Wissenschaftler am Fraunhofer ILT ein Maschinenkonzept zum LPBF von großen Metallbauteilen konzipiert. Das Ergebnis: ein großes Bauteil für die Luft- und Raumfahrt. (Bild: Fraunhofer ILT)

Automatisierte Nachbearbeitung senkt die Prozesskosten

Beim Metall-3D-Druck ist nach wie vor der Aufwand für die manuelle Nachberarbeitung besonders hoch – sie macht bis zu 70 Prozent der gesamten Prozesskosten aus. Dr. Ines Dani vom Fraunhofer IWU erläutert das Problem: „Nachgelagerte Bearbeitungsschritte wurden unter anderem aufgrund der unterschiedlichen Geometrien bisher nicht automatisiert. Dies soll sich nun ändern.“ Für die einzelnen Prozesse entwickelt das Fraunhofer IWU verschiedene autonom arbeitende Technologie-Module. Ein Roboter übernimmt das Werkstück-Handling und die spanende Nachbearbeitung.

Buchtipp

Das Buch Additive Fertigung beschreibt Grundlagen und praxisorientierte Methoden für den Einsatz der additiven Fertigung in der Industrie. Das Buch richtet sich an Konstrukteure und Entwickler, um eine erfolgreiche Implementierung additiver Verfahren in ihren Unternehmen zu unterstützen.

Bionischer Hebel auf LPBF-Maschine hergestellt

Auf der Formnext 2019 präsentieren die Fraunhofer-Institute ihre bisherigen Entwicklungen innerhalb des Future-AM-Projekts. So wird u.a. ein bionischer Hebel als Beispiel eines grossen additiv gefertigten Bauteils ausgestellt,der mit einer speziell ausgelegten LPBF-Maschine hergestellt wurde. Eine Multi-Material-Turbinenschaufel und eine Raketendüse mit Drallinjektoren sind weitere Innovationen aus Branchen, die von AM erobert werden. Gezeigt werden ausserdem eine Software-Demo des Virtual Labs und das Modell einer Anlage zur Automatisierung der bisher händischen und daher zeitaufwändigen Nachbearbeitung.

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