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30.11.2020

Mit einem Multimaterialbauteil Vorteile in der Wärmeleitung, den Verschleißschutz und dem Leichtbau erzielt!

Am Standort Augsburg wird zwischenzeitlich seit über 10 Jahren an der simultanen Verarbeitung von zwei Metalllegierungen in einem Aufbauprozess beim Laser-Strahlschmelzen geforscht. Derzeit wird die Multimaterialverarbeitung im Rahmen der Großprojekte „MULTIMATERIAL-Zentrum Augsburg“ (seit Juli 2017) sowie „MULTIMAT II“ (seit Januar 2020) mit Nachdruck zur Industriereife weiterentwickelt. Der vorliegende Artikel gibt Einblicke in die aktuelle Technologiereife und Anwendungsideen.

Die Additive Fertigung hat in den letzten Jahren immer mehr an Bedeutung für die Produktionstechnik gewonnen. Im Besonderen das Laserstrahlschmelzen (LBM) hat es bereits z. B. in der Luftfahrtindustrie, der Medizintechnik, der Werkzeugindustrie und im generellen Maschinen- und Anlagenbau in die Serienproduktion geschafft. Dabei wurden stets Bauteile aus jeweils einem Werkstoff hergestellt, z. B. Halterungen aus Titanlegierungen oder Wartungsöffnungen (Boroskopauge) aus Nickelbasislegierungen. Da die Schichtbauverfahren durch Ihre Kostenstruktur und die relativ geringe Aufbaurate ohnehin überwiegend für High-Tech-Anwendungen infrage kommen, wächst der Wunsch, möglichst zwei oder drei verschiedene Werkstoffe in einem Bauteil zu verarbeiten. Dadurch können werkstoffspezifische Vorteile den Bauteilanforderungen entsprechen ideal genutzt werden. So kann zum Beispiel für einen Spritzgusseinsatz ein abriebfester Werkzeugstahl mit einer gut wärmeleitfähigen Kupferlegierung kombiniert werden, wodurch sich Zykluszeiten bei der Fertigung von Kunststoffbauteilen mit hohen Aspektverhältnissen deutlich reduzieren lassen. Die Kombination aus Aluminium- und Kupferlegierungen bieten Möglichkeiten für Kosteneinsparungen im Elektromotorenbau. Abbildung 1 gibt einen Überblick zu weiteren Legierungen und deren spezifischen Eigenschaften bzw. daraus resultierenden möglichen Vorteilen durch eine Werkstoffkombination. Des Weiteren wird am Beispiel eines Dentalimplantats der Vorteil der Kombination einer Titanlegierung mit Tantal gezeigt.
Abbildung 1: Eigenschaften verschiedener Metalllegierungen, Beispiel für ein Dentalimplantat als Multimaterialbauteil auf Titanbasis mit Tantalstrukturen, die spezifische Vorteile hinsichtlich der Osseointegration bieten.
Das Fraunhofer-Institut für Gießerei-, Composite- und Verarbeitungstechnik (IGCV) befasst sich seit vielen Jahren mit pulverbettbasierten additiven Fertigungsverfahren, wie dem LBM, zur Herstellung von metallischen Hochleistungsbauteilen. Beim LBM werden mithilfe eines Laserstrahls dünne Schichten aus Metallpulver selektiv aufgeschmolzen und verfestigt. Derzeit können mit diesem Verfahren Bauteile aus einem Werkstoff, sog. Monomaterialbauteile, hergestellt werden. Multimaterialbauteile hingegen zeichnen sich durch mindestens zwei unterschiedliche Werkstoffe aus, die fest miteinander verbunden sind. Die Fertigung von 2-D-Multimaterialbauteilen, bei welchen ein Materialwechsel zwischen aufeinanderfolgenden Schichten erfolgt, kann bereits heute bei vielen marktüblichen LBM-Anlagen durch einen zeitaufwendigen manuellen Materialwechsel erfolgen. Dies ist bei einem 3-D-Multimaterialbauteil heute typischerweise nicht möglich, da hier innerhalb einer Schicht beide Werkstoffe vorliegen müssen. Zur Fertigung dieser Bauteile ist es notwendig, kommerziell verfügbare Laser-Strahlschmelzmaschinen soft- und hardwareseitig zu erweitern, um die Ablage eines zweiten Werkstoffes in der Pulverschicht zu ermöglichen. Hierfür liegen am Fraunhofer IGCV zahlreiche Konzepte vor und Abbildung 1 zeigt ein realisiertes 3-D-Multimaterialbauteil aus Werkzeugstahl und einer Kupferlegierung mit komplexer 3-D-Werkstoffverteilung.

Der Technologiereifegrad des Multimaterial-Laser-Strahlschmelzen ist heute erwartungsgemäß noch geringer als der des Monomaterial-Laser-Strahlschmelzens. Zwischenzeitlich konnte aber gezeigt werden, dass die Technologie für spezifische Werkstoffpaarungen, wie beispielsweise Kupfer und Stahl, funktioniert. Dies liegt zum einen daran, dass der Fertigungsprozess selbst beherrscht werden konnte. Ebenso relevant ist zum anderen, dass bei dieser Materialpaarung gezeigt werden konnte, dass sich die prozessbedingt durchmischten Pulverwerkstoffe im Nachhinein wieder mit einer Reinheit von nahe 100 Prozent sortieren und damit wiederverwenden lassen. In diesem Fall wurde hierfür eine magnetische Sortierung der Pulverwerkstoffe zunächst im Labormaßstab und im Anschluss in einer industriellen Lösung mit einer Sortierrate von mehreren Kilogramm pro Stunde umgesetzt. Die Wiederverwendbarkeit der Pulver wird meist als zentrales Kriterium angesehen, da es die Wirtschaftlichkeit deutlich beeinflusst.

Zusammengefasst ist der aktuelle Stand der Multimaterialverarbeitung hinreichend reif, um Industrieapplikationen konkret zu untersuchen. Es ist zwischenzeitlich in weiten Teilen bekannt, was funktionieren kann und was nicht. Beispielsweise ist es nach heutigem Stand schwer möglich, Werkstoffe zu kombinieren, die sich in jeglicher Hinsicht – bspw. Dichte, Magnetisierbarkeit, Korngrößenverteilung – sehr ähnlich sind. In diesem Fall wird eine Pulversortierung schwer möglich sein und damit die Multimaterialverarbeitung wenig wirtschaftlich. Zugleich mag hier aber die Frage berechtigt sein, welchen Vorteil eine Multimaterialverarbeitung bieten würden, sind die Werkstoffe sich doch sehr ähnlich. Auch die Kombination von Metalllegierungen mit technischen Keramiken erscheint derzeit wenig sinnvoll, da die Qualität der laserbasiert verarbeiteten Keramiken (bspw. Al2O3) nicht den typischen Anforderungen genügt und die Verarbeitung wenig prozessstabil möglich ist. Für elektrisch isolierende (dünne) Bahnen in Metallbauteilen konnte wiederrum eine Eignung nachgewiesen werden.
Abbildung 2: Mittels Laser-Strahlschmelzen gefertigtes Multimaterialbauteil aus Werkzeugstahl und einer Kupferlegierung mit komplexer Werkstoffverteilung.
Gemeinsam mit ersten Anwendern aus der Industrie werden am Fraunhofer IGCV branchenübergreifend Machbarkeitsstudien zur Multimaterialverarbeitung durchgeführt. Die Nachfrage wuchs dabei im Jahr 2019 sprunghaft an, denn mit den ersten erfolgreichen Machbarkeitsstudien entstehen bei den Konstrukteuren weitere kreative und innovative Anwendungsideen. Für die Jahre 2020 und 2021 haben wir bereits Zusagen zahlreicher Partner, Machbarkeitsstudien im Rahmen des „MULTIMATERIAL-Zentrum Augsburg“ umsetzen zu können, bei denen die Ergebnisse veröffentlicht werden dürfen. Wir freuen uns daher auf Untersuchungen im Bereich der Energieerzeugung, der Raumfahrt, der Greif- sowie Messtechnik und danken für das entgegengebrachte Vertrauen. Wir werden gerne an dieser Stelle über Ergebnisse berichten und freuen uns, wenn zwischenzeitlich weitere Use Cases an uns herangetragen werden.

Falls auch Sie Ihr Multimaterialsystem additiv fertigen wollen melden Sie sich bei Herrn Prof. Dr.-Ing. Christian Seidel, Professor für Fertigungstechnik und Additive Fertigungsverfahren an der Hochschule München und Leiter Additive Fertigung beim Fraunhofer IGCV in Augsburg christian.seidel@igcv.fraunhofer.de

 

Kontakt
Prof. Dr.-Ing. Christian Seidel
Additive Fertigung,
Fraunhofer-Institut für Gießerei-, Composite- und Verarbeitungstechnik IGCV

Am Technologiezentrum 10
86159 Augsburg

Telefon +49 821 90678-127
christian.seidel@igcv.fraunhofer.de

 


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