3D-Druck Metallbauteile zehnmal schneller 3D-drucken

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.

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Fraunhofer-Institut für Lasertechnik

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

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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. Was es leisten und wie es funktionieren wird, demonstrieren die Fraunhofer-Experten auf der Formnext, die vom 19. bis 22. November 2019 in Frankfurt am Main statt findet.

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.

Additive Fertigung

3D-Druck mit amorphen Metallen

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.

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.“

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.

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.

Mehr zum Thema additive Fertigung finden Sie auf unserer Partnerplattform Mission Additive.

Formnext 2018

Die Highlights der Additiven Fertigung an einem Ort

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