Echtes Metall AM vor dem Durchbruch

Mindestens um den Faktor 10 will ein Zusammenschluss von sechs Fraunhofer-Instituten im Fraunhofer-Leitprojekt »futureAM – Next Generation Additive Manufacturing« den 3D-Druck mit Metallpulver beschleunigen. Erste Ergebnisse präsentiert das Team auf dem Fraunhofer-Gemeinschaftsstand auf der Formnext.

18. November 2019
Echtes Metall AM vor dem Durchbruch
Beim Extremen Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen (EHLA) gelang mit einer neuen Anlage der Schritt von der Beschichtung zur echten additiven, dreidimensionalen Fertigung. (Bild: Fraunhofer ILT, Aachen)

Eine wichtige Rolle im Leitprojekt spielt das Virtual Lab, das in enger Zusammenarbeit der beteiligten Institute entsteht. Was es leisten und wie es funktionieren wird, demonstrieren die Fraunhofer-Experten auf der Formnext. 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 von der Fraunhofer-Einrichtung für Additive Produktionstechnologien IAPT in Hamburg, bei der die Fäden des virtuellen Labors zusammenlaufen: »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.

Ganzheitlich virtuell

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.

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. Gemeinsam mit Industriepartnern entstand eine 3D-EHLA-Anlage, bei welcher die Bauplattform extrem schnell parallelkinematisch von drei Linearantrieben mit stillstehendem Laser-Bearbeitungskopf bewegt wird.

Für das Laser Powder Bed Fusion (LPBF) wurde ein neues, kompaktes Optiksystem entwickelt. Es kommt zum Einsatz im ersten Prototyp, der dank seines Bauraums (1000 mm x 800 mm x 500 mm) auch große Metallbauteile bis zu zehnmal schneller als übliche LPBF-Anlagen additiv herstellen kann. Ein weiteres Highlight ist ein Software-Modell zum Steuern des Energieeintrags beim Umschmelzen des pulverförmigen Werkstoffs. Christian Tenbrock, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer ILT und futureAM-Projektkoordinator: »Die Prozessparameter können dabei für jede einzelne Schmelzspur individuell eingestellt werden, um sowohl die Bauteilqualität als auch die Baugeschwindigkeit zu steigern.«

Automatisierte Nachbearbeitung senkt die Prozesskosten

Besonders hoch ist beim Metall AM der Aufwand für die meist manuelle Nachbearbeitung, denn sie macht bis zu 70 Prozent der gesamten Prozesskosten aus. Dr. Ines Dani vom Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU in Chemnitz: »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.

Die anspruchsvollen Ziele der Fraunhofer-Partner haben bislang zu einer Reihe von Innovationen geführt, von denen einige auf der Formnext 2019 präsentiert werden. Ausgestellt wird unter anderem ein bionischer Hebel als Beispiel eines großen additiv gefertigten Bauteils, hergestellt mit einer speziell ausgelegten LPBF-Maschine.

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.

An dem Projekt beteiligen sich folgende 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

Formnext, Halle 11, Stand D51