Technologie

Metallischer 3D-Druck für den industriellen Einsatz

10.11.2020 - Fraunhofer-Leitprojekt futureAM erreichte bis zum Projektende zahlreiche Technologiesprünge.

Eine Beschleunigung der additiven Fertigung von Metall­bau­teilen mindestens um den Faktor 10 – mit diesem Ziel startete 2017 das Fraun­hofer-Leit­projekt „futureAM – Next Genera­tion Additive Manu­fac­turing“. Sechs Fraun­hofer-Institute erreichten jetzt zum Projekt­ende gemeinsam Techno­logie­sprünge in der System­technik, bei den Werk­stoffen, in der Prozess­führung und bei der durch­gängigen Digita­li­sierung. Sie steigerten so Leistungs­fähig­keit und Wirt­schaft­lich­keit des Metal Additive Manu­fac­turing entlang der gesamten Prozess­kette.

Im Mittelpunkt der Aktivitäten von futureAM steht zum einen die ganz­heit­liche Sicht auf die digitale und physische Wert­schöpfung vom Auftrags­eingang bis zum fertigen metal­lischen 3D-Druck-Bauteil, zum anderen der Sprung in eine neue Techno­logie-Generation der additiven Fertigung. Eine wichtige Rolle spielt dabei das Virtual Lab, welches Kompetenzen digital bündelt und den gesamten AM-Prozess für alle beteiligten Partner trans­parent macht. „Wir stehen jetzt an der Schwelle zur indus­tri­ellen Umsetzung“, sagt Christian Tenbrock, Gruppen­leiter am Fraun­hofer-Institut für Laser­technik und futureAM-Projekt­leiter. „Die gemein­schaft­lich gewonnene Expertise soll nun in die indus­tri­elle Anwendung über­führt werden.“

Eine große Herausforderung bei futureAM war das instituts­über­greifende Zusammen­spiel aller Teil­nehmer, die teil­weise sehr unter­schied­liche Bereiche der gesamten Prozess­kette abdecken. Bewährt hat sich dabei das Virtual Lab, das als digitale Platt­form den Austausch über alle AM-Aufgaben­felder und -Akteure sicher­stellt. In diesem Kontext hat die Fraun­hofer-Einrichtung für additive Produktions­techno­logien beispiels­weise verschie­denste Software­tools zur Auslegung von AM-Bauteilen entwickelt. Auf diese Weise entstehen webbasierte Simulations-Tools für Metall-AM, mit denen auch Einsteiger arbeiten können.

Im Handlungsfeld Werkstoffe erforschte das Fraun­hofer-Institut für Werk­stoff- und Strahl­technik, welche Materialien sich in einem Bauteil miteinander kombinieren lassen und welche Probleme dabei auftreten. Unter anderem behandelten die Forscher die Erweiterung des einsetz­baren Spektrums additiv verarbeitungs­fähiger Hoch­temperatur­werk­stoffe und erforschten, wie diese in einer Multi-Material-Bauweise vereint werden können. Ein spannendes Ergebnis brachte das Zusammen­spiel von Laser­auftrag­schweißen und künst­licher Intelli­genz: Mit Hilfe KI-gestützter Prozess­analyse lassen sich verschie­denste Einfluss­faktoren analy­sieren und so der Fertigungs­prozess optimieren. Wie gut das bereits funktio­niert, demon­striert das Fraun­hofer-IWS an Multi-Material-Bauteilen aus Nickel und Aluminium. Je nach Bauteil­anforde­rungen nehmen die Forscher wahl­weise ein drittes oder viertes Element hinzu, um die Eigen­schaften exakt an den jeweiligen Anwendungs­fall anzu­passen.

Die Wissenschaftler vom Fraun­hofer-ILT entwickelten ein Demon­strator-System, das ein Maschinen­hersteller gebaut hat. Es ist eine Anlage zum 3D-Druck von Bauteilen im XXL-Maßstab: Per Laser Powder Bed Fusion entstand dank des großen Bauraums ein Demon­strator-Bauteil für zukünftige Triebwerks­generationen von Rolls-Royce. Möglich wird dies durch ein neues Maschinen­system mit mobilem Optik­system. Ähnliche Erfolge gab es auch beim extremen Hoch­geschwindig­keits-Laser­auftrag­schweißen, mit dem sich nun auch 3D-Bauteile herstellen lassen. Der neu entwickelte Prozess erlaubt extreme Auftrags­geschwindig­keiten bei gleich­zeitig hoher Detail­auflösung.

Großes Optimierungs­potenzial identi­fi­zierten die Forscher auch in der Nach­bearbeitung. Das Fraun­hofer-Institut für Werkzeug­maschinen und Umform­technik entwickelte daher im Rahmen des Projekts dafür eine automa­ti­sierte Lösung. Um das physische Bauteil zunächst zweifels­frei identi­fi­zieren und stets nach­ver­folgen zu können, wird bei der Fertigung ein Code ein­ge­arbeitet und später aus­ge­lesen. Dieser sorgt zudem für einen effizienten und störungs­freien Kopier­schutz. Im nächsten Schritt wird die Ist-Geometrie des ein­ge­spannten Bauteils von Laser­scannern erfasst und durch den Abgleich von Soll- und Ist-Geometrie die optimale Bearbeitungs­strategie abgeleitet. Die Bearbeitung erfolgt anschließend automatisch durch einen Roboter und wird im Prozess durch erneute 3D-Scans verifiziert.

Fh.-ILT / RK

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