Metallbasierte Additive Fertigung für Hochleistungsanwendungen

Referent:in: Daniel Krug, Günter-Köhler-Institut Jena

Im Forschungsprojekt „HyWeld“ wurde das Fügen additiv und konventionell gefertigter Halbzeuge mittels WIG-Schweißens ohne Zusatzwerkstoff untersucht. Trotz identischer Schweißparameter gegenüber den konventionel-len Proben traten bei den hybriden Verbindungen Unregelmäßigkeiten gemäß ISO 6520-1 auf. Ursachenanalysen zeigten, dass insbesondere der Gehalt an oberflächenaktiven Elementen eine Umkehr der Schmelzbadströmung verursacht. Spektralanalysen der Grundwerkstoffe bestätigten signifikante Differenzen im Schwefelgehalt der Pro-ben, die als Ursache identifiziert wurden. Versuche mit einem magnetisch abgelenkten WIG-Lichtbogen zeigten eine deutliche Verbesserung der Nahtsymmetrie und eine Reduktion des Wurzelversatzes.

Referent:in: Florian Heinrich, Laserinstitut Hochschule Mittweida

Am Laserinstitut der Hochschule Mittweida wurde in den vergangenen zehn Jahren das Mikro-SLM-Verfahren entwickelt, das sich wesentlich vom konventionellen Selektiven Laserschmelzen (SLM) unterscheidet – insbesondere durch eine deutlich höhere Auflösung mit minimal realisierbaren Strukturgrößen unter 50 µm. In Kombination mit den bekannten Vorteilen additiver Fertigung, wie der Realisierung komplexer Geometrien, eröffnet das Mikro-SLM neue Anwendungsmöglichkeiten im Bereich hochpräziser Bauteile. Ein besonders vielversprechendes Einsatzfeld stellt die Fertigung hocheffizienter Mikro-Wärmetauscher dar. Durch die Integration topologisch optimierter TPMS-Strukturen, die sich durch ein hohes Oberflächen-Volumen-Verhältnis auszeichnen, und der Erweiterung der einsetzbaren Werkstoffe auf das hochtemperaturbeständige Inconel 718, soll die Leistungsfähigkeit zukünftiger Wärmetauscher signifikant gesteigert werden. Hierzu wurden grundlegende Prozessparameter ermittelt, auf die Herstellung dünnwandiger TPMS-Strukturen übertragen und die thermische Performance eines ersten Prototypen-Wärmetauschers untersucht.

Referent:in: Maximilian Streinz, Günter-Köhler-Institut Jena

Amorphe Metalle weisen aufgrund ihrer ungeordneten atomaren Struktur außergewöhnlich gute mechanische Eigenschaften wie sehr hohe Festigkeiten, hohe Elastizität und Oberflächenqualität auf. Sie sind gut für die additive Verarbeitung im PBF-LB-Verfahren geeignet, da bei diesem Fertigungsverfahren hohe lokale Abkühlgeschwin-digkeiten auftreten, welche für eine amorphe Erstarrung der komplexen Materialzusammensetzung nötig sind. Im Rahmen des Forschungsprojekts wurden optimale Parameter zur Umsetzung sowohl sehr dünnwandiger, als auch dickwandigerer Strukturen mit sehr hoher Festigkeit, niedriger Restkristallinität und hoher Oberflächenqualität entwickelt. Dadurch wurden wichtige Grundlagen für Anwendungen in Luft- und Raumfahrt geschaffen.

Referent:in: Lucas Naumann, Laserinstitut Hochschule Mittweida

In diesem Beitrag wird ein neues laserbasiertes 3D-Metalldruckverfahren zur Herstellung von porösen und dadurch definiert wasserabführenden Verlaufsstrukturen vorgestellt. Im Unterschied zum konventionellen 3D-Metalldruck, bei dem eine relative Dichte > 99 % des Vollmaterials sowie vergleichbare mechanische Eigenschaften angestrebt werden, zeichnet sich das neue Verfahren durch die Bereitstellung von metallischen Funktionsschichten mit einer definiert einstellbaren Porosität bzw. Dichtegradienten aus. Dazu werden im Laserdruckverfahren durch die Varia-tion der Füllalgorithmen kleine kapillarwirkende Öffnungen im Gefüge erzeugt. Es wird gezeigt, dass sich die wasserabführende Wirkung der lasergedruckten Funktionsschichten über die Strukturkenngrößen Porengröße sowie Porendichte definiert einstellen lässt. Als ein erstes Anwendungsfeld mit hohem Innovationspotenzial wird der Einsatz von porösen wasserabführenden Funktionsschichten in formgebenden Werkzeugen zur Herstellung von Industriekeramiken vorgestellt. Hierbei bestand die besondere Herausforderung, einerseits das beim Pressen von wasserhaltigem Ton rückständig verbleibende Wasser ausreichend abzuführen; gleichzeitig aber auch die Porenfreiheit der Funktionsfläche des Abformwerkzeugs sowie eine geringe Rauigkeit des Formlings zu gewährleisten.

Für die Untersuchungen stand eine Industrieanlage SLM 280 HL von der Firma SLM Solution AG zur Verfügung. Als Ausgangswerkstoff für das Pulverbett wurden ein Edelstahlpulver (316L, Rosswag GmbH) sowie eine Aluminiumlegierung AlSi10Mg (m4p material solutions GmbH) gewählt. Es handelte sich um Pulver sphärischer Kornform mit typischen Korngrößen zwischen 15 - 60 µm. Die Herstellung von metallischen porösen Verlaufsstrukturen wurde innerhalb zwei unterschiedlicher Ansätze verfolgt: (1) Die Erzeugung von Poren bzw. Kanälen durch bereits konstruktiv in die zu druckende Funktionsschicht eingebrachte Durchgangslöcher. Mit dieser Methode ließen sich in AlSi10Mg bis zu 110 µm (Konstruktion 500 µm) kleine Poren erzeugen. In 316L betrugen die kleinsten gedruckten Porendurchmesser ca. 170 µm (Konstruktion 300 µm). Insbesondere beim Aluminium war eine Verkleinerung der tatsächlichen Konturen durch Schmelzanhaftungen zu beobachten. (2) Alternativ gelang es, durch mehrfache Belichtung eines Kreuzrasters mit variablen Linienabständen und Drehwinkeln, Funktionsschichten mit stochastischer Porenverteilungen mit deutlich kleineren Kapillargrößen (30 µm) innerhalb des Gefüges zu erzeugen. Diese Methode stellte sich als besonders zielführend für das Laserdrucken von definiert wasserabführenden Funktionsschichten heraus.