Additive Fertigung mittels Pulverbett-Laserstrahlschmelzen (3D-Druck)

Additive Fertigung (Additive Manufacturing) ermöglicht ausgehend von Pulver oder Draht die Herstellung von metallischen Komponenten mit komplexen Geometrien. Am Institut MATERIALS beschäftigen wir uns mit der Weiterentwicklung dieser Verfahren für neue Werkstoffe und Anwendungen.

In der Anfangszeit wurden diese Verfahren unter dem Namen „Rapid Prototyping“ oft nur zur Herstellung von Modellen und Prototypen verwendet, heute wird diese Technologie als „3D-Druck“ auch für eine industrielle Fertigung von Bauteilen eingesetzt.

Metall-3D-Druck

(c) JOANNEUM RESEARCH/ Stadler

Beim Laserstrahlschmelzen aus dem Pulverbett (L-PBF, Laser Powder Bed Fusion), welches auch unter dem populären Namen „3D-Druck“ bekannt ist, handelt es sich um eine der beiden additiven Fertigungstechnologien zur Herstellung metallischer Komponenten mit hoher Qualität.

Mit dieser Technologie lassen sich Bauteile mit Strukturen unter 100 μm und Rauigkeiten unter 50 μm erzeugen – bei gleichzeitig nahezu vollständiger Design-Freiheit. Dadurch ist es möglich, multifunktionale metallische Komponenten zu fertigen, welche mit den klassischen (subtraktiven) Fertigungsmethoden entweder komplett unmöglich oder nur mittels unrentablem Aufwand herstellbar wären.

Ermöglicht werden diese hervorragenden Resultate, indem ausgehend von einem Pulverbett Schicht für Schicht des finalen Bauteils mittels Laserstrahl verschmolzen werden. Die Limitierung der Genauigkeit ist dabei nur durch die Korngröße des verwendeten Pulvers und den Durchmesser des Laserstrahls gegeben.

Hauptanwendungsgebiete dieser Technologie liegen derzeit in der Medizintechnik sowie in der Luft- und Raumfahrt: In der Medizintechnik ist es dadurch möglich, individuelle auf den einzelnen Patienten zugeschnittene Implantate sowie Prothesen zu fabrizieren. Für die Luft- und Raumfahrt wiederum lassen sich funktionale Komponenten herstellen, welche im Vergleich zum entsprechenden, mit herkömmlichen Verfahren produzierten Bauteil ein deutlich reduziertes Gewicht aufweisen. Ermöglicht wird dies zum einen durch die mittlerweile verfügbaren Simulationstools, wodurch Volumen an den nicht belasteten Stellen eingespart werden kann, zum anderen durch die Möglichkeit, anstelle voller Volumina spezielle Gitterstrukturen zu erzeugen, welche gleich gute makroskopische physikalische Eigenschaften aufweisen.

(c) JOANNEUM RESEARCH/ Bergmann

Ziel der bei MATERIALS für und mit Industriepartnern durchgeführten Arbeiten ist die Erforschung und Lösung von innovativen wissenschaftlichen und technologischen Fragestellungen, um zukünftig den Metall-3D-Druck noch effizienter einsetzen und neue Produkte realisieren zu können.

Hybrid-AM-Prozesse
Das L-DED-Verfahren zeichnet sich durch hohe Aufbauraten und die Möglichkeit der Kombination unterschiedlicher Werkstoffe aus, jedoch können sehr feine und komplexe geometrische Strukturen nicht realisiert werden. Solche sind dagegen mit dem L-PBF-Verfahren mit höherer Genauigkeit und besserer Oberflächengüte herstellbar, jedoch sind zusammengesetzte Bauteile aus unterschiedlichen Werkstoffen nur mit sehr großem Aufwand realisierbar und bei deutlich niedrigeren Aufbauraten. Hybride AM-Prozesse vereinigen die Vorteile beider Verfahren und ermöglichen neue Anwendungen.

Hybridwerkstoffe – Werkstoffverbunde und Verbundwerkstoffe
Funktionelle Bauteile bestehen oft aus unterschiedlichen Werkstoffen, die in der konventionellen Fertigung mit Hilfe von form- oder kraftschlüssigen Fügemethoden oder durch Schweißen, Löten oder Kleben miteinander verbunden werden. Mit Hilfe der genannten Hybrid-AM-Prozesse werden Werkstoffverbunde (Hybridwerkstoffe) hergestellt. Neben den Werkstoffverbunden haben in der Technik auch Composites eine große Bedeutung. Beispiele sind faser- oder teilchenverstärkte Metalllegierungen (MMC metal matrix composite).

Prozess-, Bauteil- und Werkstoffsimulation
Die Additiven Fertigungsverfahren sind relativ neue Technologien, in denen sehr viele Prozessparameter zu berücksichtigen sind. Für die Prozessentwicklung, aber auch für eine qualitätsgesicherte Fertigung von neuen Bauteilen stellen Simulationsmethoden ein interessantes Werkzeug dar. Während für die Vorhersage von Eigenspannungen und Bauteilverzug und auch für die im Bauteil während des Druckens auftretenden Temperaturen schon sehr gute Simulationsprogramme zur Verfügung stehen, steht die Simulation der auftretenden Mikrogefüge und Bauteileigenschaften noch am Beginn.