Additive Fertigung Mikrostruktur auf Abruf

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Wie lassen sich Bauteile so herstellen, dass ihre innere Struktur gezielt zur späteren Funktion passt? Das internationale ICON-Forschungsprojekt Ultra Grain der Fraunhofer-Gesellschaft mit australischen Partnern hat gezeigt, dass sich Gefügestrukturen während des laserbasierten Auftragschweißens gezielt und lokal einstellen lassen. 

Das Projekt zeigt einen praktikablen Weg, Mikrostrukturen nicht länger dem Prozess zu überlassen, sondern sie dort einzustellen, wo Festigkeit, Lebensdauer oder Belastbarkeit entscheidend sind. Beteiligt waren das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS, das Fraunhofer-Institut für Additive Produktionstechnologien IAPT sowie die RMIT University in Melbourne. Für industrielle Anwender eröffnet das neue Spielräume in der Auslegung additiv gefertigter Metallbauteile. Prof. Christoph Leyens, Institutsleiter des Fraunhofer IWS, ordnet ein: „Ultra Grain zeigt, wie wir am Fraunhofer IWS neue Fertigungstechnologien konsequent von der Idee bis zur industriellen Anwendung entwickeln. Die Ergebnisse sind wissenschaftlich hochinteressant und bilden eine hervorragende Basis für den zukünftigen Industrietransfer.“

 Reduktion der Korngröße um bis zu 75 Prozent

Zu Beginn setzte Ultra Grain auf Ultraschall, um die Kornbildung im Schmelzbad zu beeinflussen. Im Projektverlauf vollzog das Konsortium einen klaren Technologiesprung: Der Ultraschallansatz wurde durch eine gepulste, laserinduzierte Anregung des Schmelzbads ersetzt. Diese Lösung arbeitet kontaktlos, ist unabhängig von der Bauteilgeometrie und erfüllt die Anforderungen industrieller Produktionsumgebungen.Die pulslaserinduzierte direkte Schmelzbadanregung lässt sich in bestehende Anlagen für das laserbasierte Auftragschweißen (engl. DED-LB) integrieren. Anders als bei der Ultraschallmethode lassen sich durch den gepulsten Laser auch komplexe Bauteilgeometrien herstellen. In Demonstratorbauteilen erzielte das Projekt eine Reduktion der Korngröße um bis zu 75 Prozent. Damit wird es erstmals möglich, mikrostrukturell und funktional optimierte Zonen direkt während des Fertigungsprozesses zu erzeugen.„Wir haben bewusst auf eine Lösung gesetzt, die industriell funktioniert“, erläutert Jacob-Florian Mätje, Hauptansprechpartner für das Projekt und wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer IWS. „Die laserbasierte Anregung erlaubt es, Mikrostrukturen gezielt dort einzustellen, wo sie für die Bauteilfunktion einen echten Unterschied machen.“

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Ein zentrales Alleinstellungsmerkmal von Ultra Grain liegt in der engen Verzahnung von Laserprozess, Simulation, Designmethodik und Werkstoffentwicklung. Das Fraunhofer IWS integrierte die pulslaserinduzierte Schmelzbadanregung in reale DED-LB-Anlagen und validierte die Technologie unter industrienahen Bedingungen. Das Fraunhofer IAPT entwickelte Methoden zur Segmentierung, Pfadplanung und Parameterzuweisung für Bauteile mit lokal variierenden Mikrostrukturen. Die RMIT University ergänzte das Projekt durch multiskalige Modellierung, simulationsgestützte Prozessauslegung und Optimierungskonzepte im Sinne eines integrierten Computational Materials Engineering.
Die Ergebnisse von Ultra Grain sind für Branchen mit hohen Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften und die Lebensdauer von Bauteilen relevant. Dazu zählen Maschinenbau, Luft- und Raumfahrt, Energietechnik, Turbomaschinenbau, Automobilindustrie sowie der Werkzeug- und Formenbau. Unternehmen profitieren von Bauteilen, deren Mikrostruktur gezielt an Belastung und Funktion angepasst ist. Das senkt den Materialeinsatz, erhöht die Lebensdauer und verbessert das gesamte Eigenschaftsprofil des Bauteils. Ultra Grain hat gezeigt, dass sich diese Struktur während des Bauens einstellen lässt.