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Essenziell
 

Additive Fertigung von Metallen (Metall-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

Unter „additiv“ werden alle Herstellverfahren zusammengefasst, bei denen der Werkstoff zur Erzeugung eines Bauteils schichtweise hinzugefügt wird. Das steht im Gegensatz zu den klassischen subtraktiven Fertigungsverfahren wie Fräsen, Bohren und Drehen, bei denen Material abgetragen wird. Das Schichtbauprinzip ermöglicht geometrisch komplexe Strukturen, die mit konventionellen Fertigungsverfahren nicht oder nur aufwendig realisiert werden können.

Am Standort Niklasdorf werden mit laserunterstützen Verfahren Prozesse und neue Werkstoffe zur Additiven Fertigung von metallischen Strukturbauteilen für die Luftfahrt, den Maschinen- und Werkzeugbau, sowie von Implantaten für die Medizintechnik entwickelt. Zum Einsatz kommen und weiterentwickelt werden die Verfahren formgebendes Laserauftragsschweißen (LMD-Verfahren, Laser Metal Deposition oder auch L-DED-Verfahren, Laser Directed Energy Deposition) und der 3D-Druck im Pulverbett (SLM-Verfahren, Selective Laser Melting oder auch L-PBF-Verfahren, Laser Powder Bed Fusion).

(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.