Generative Fertigung

Generative Fertigung

Material- und Prozessentwicklung für die Generative Fertigung metallischer Komponenten in hochwertiger Qualität wird am Institut MATERIALS mittels zweier komplementärer Technologien durchgeführt:

Beim Generativen Laserauftragsschweißen, auch LMD (Laser Metal Deposition) genannt, wird eine in Pulverform vorliegende Legierung über eine Zuleitung direkt in den Laserstrahl eingebracht, wodurch sie mit dem bereits vorhandenen Metallstrukturen verschmolzen wird.

Beim Selective Laser Melting (SLM), auch unter den Begriffen Laserstrahlschmelzen (LSS) oder 3D-Metalldruck bekannt, wird das zu generierende Volumen aus einem vorhandenen Pulverbett mittels lokalen Verschmelzens der Pulverpartikel schichtweise aufgebaut.

Beide Technologien ergänzen einander aufgrund ihrer unterschiedlichen Stärken:

Laser metal deposition

Mittels LMD können metallische Bauteile und Komponenten generativ hergestellt werden. Ausgangspunkt ist dabei ein Legierungspulver, welches in den Laserprozess eingebracht wird. Dadurch ist es möglich, verschiedene Legierungen in beliebigen Verhältnissen zu mischen, was einen wesentlichen Vorteil dieser Technologie darstellt. Damit können gezielt graduelle Verläufe der Werkstoffeigenschaften eingestellt werden. Auch die Herstellung eines Verbundes aus unterschiedlichen Werkstoffen (z.B. Sandwich-Strukturen) ist mit dieser Technologie möglich. Ein weiterer Vorteil der LMD-Technologie liegt darin, dass auf beliebigen Geometrien aufgeschweißt werden kann.     

Mittels LMD gefertigter Kelch (links) sowie funktionaler Kühleinsatz (Cu-Schicht unter der Oberfläche) aus unterschiedlichen Legierungen (rechts)

Bei der Herstellung komplexerer Formen mittels LMD ist häufig eine zwischenzeitliche zerspanende Bearbeitung nötig, ebenso müssen die Oberflächen eines fertigen Bauteils je nach Anforderungsprofil meist überarbeitet werden. Diese zusätzlichen Bearbeitungsschritte können bei MATERIALS in Niklasdorf in einer einzigen kombinierten Laser- und Frässtation durchgeführt werden, was verglichen mit einer Bearbeitung auf getrennten Anlagen den Vorteil einer höheren Genauigkeit und Geschwindigkeit hat.

Verschiedene Stadien der Herstellung einer aus einer speziellen Al-Legierung gefertigten Komponente für ein unbemanntes Luftfahrzeug mittels LMD

Verschiedene Stadien der Herstellung einer aus einer speziellen Al-Legierung gefertigten Komponente für ein unbemanntes Luftfahrzeug mittels LMD

3D-Metall- Druck

Mit diesem gängigen Begriff wird häufig die Technologie des Selective Laser Melting (SLM) bzw. des Laserstrahlschmelzens (LSS) aus dem Pulverbett bezeichnet. Dabei wird der zu generierende Bauteil Schicht für Schicht aufgebaut, wobei stets eine dünne Lage des Pulvers von weniger als 50 µm aufgebracht wird und jene Stellen, die der Form des fertigen Teils entsprechen, mit Hilfe eines Laserstrahls zu einem festen Gefüge verschmolzen werden. Die Präzision und Genauigkeit in vertikaler Richtung wird dabei durch die gewählten Schichtdicken bestimmt. In lateraler Richtung können diese Parameter durch die gewählten Laserparameter und Belichtungsstrategien beeinflusst werden und liegen ebenfalls weit unter 50 µm. Wesentlich bei dieser Technologie (im Gegensatz zum sogenannten Lasersintern) ist, dass das ursprüngliche Pulver komplett aufgeschmolzen wird: Die mittels SLM hergestellten Bauteile weisen praktisch keinerlei Porosität mehr auf und zeigen in den makroskopischen Bauteileigenschaften zufriedenstellende Werte, welche mit jenen konventionell gefertigter Bauteile vergleichbar sind.

Während in der konventionellen Fertigung die Kosten umso geringer werden, je größer die Stückzahl wird, hat die SLM-Technologie den Vorteil, dass sich damit auch Einzelstücke in wirtschaftlich vertretbarem Rahmen fertigen lassen.

Der wesentliche Vorteil beim SLM liegt jedoch in der Machbarkeit der Herstellung höchst komplexer Geometrien: So können z.B. konturnahe weitverzweigte Kühlkanäle unmittelbar unter der Oberfläche eines Bauteils realisiert werden. Bauteile können gestaltoptimiert werden, d.h. jene Volumina, in welchen keine Kräfte wirken, können ausgespart werden, was zu einer deutlichen Gewichtsreduktion gegenüber konventionell gefertigten Bauteilen führt. Ebenso können Bauteile, welche bei konventioneller Fertigung aus mehreren Komponenten zusammengesetzt werden müssen, in Form eines einzigen Bauteils hergestellt werden. Jene Branchen, in denen die generative Fertigung derzeit bereits Einzug hält, sind zum einen die Luft- und Raumfahrt, wo die Gewichtsersparnis ein wesentliches Kriterium darstellt, zum anderen die Medizintechnik, wo z.B. individuelle Zahnimplantate rasch und kostengünstig gefertigt werden können.

SLM Anlage EOSINT M280 (EOS) sowie mittels 3D-Druck hergestellte Komponenten

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