Mittels maßgeschneiderter Laserauftragsschweißprozesse ließen sich am Fraunhofer IWS in Dresden metallische Multi-Material-Bauteile realisieren.

Bild: Fraunhofer-Gesellschaft

Additive Fertigung in der Industrie Dreijähriges Projekt zu 3D-Druck abgeschlossen: Das sind die Ergebnisse

10.11.2020

2017 startete das Projekt „FutureAM“, in dem sechs Fraunhofer-Institute das Ziel verfolgten, den industriellen 3D-Druck leistungsfähiger und wirtschaftlicher zu machen. Welche technischen Errungenschaften konnten sie in den vergangenen drei Jahren verzeichnen?

Beschleunigung der additiven Fertigung von Metallbauteilen mindestens um den Faktor 10: Mit diesem Ziel startete im Jahr 2017 das Projekt „FutureAM – Next Generation Additive Manufacturing“. Im Mittelpunkt stand zum einen die ganzheitliche Sicht auf die digitale und physische Wertschöpfung vom Auftragseingang bis zum fertigen metallischen 3D-Druck-Bauteil, zum anderen der Sprung in eine neue Technologiegeneration der additiven Fertigung.

„Wir stehen jetzt an der Schwelle zur industriellen Umsetzung“, sagt Christian Tenbrock, Gruppenleiter am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT und „FutureAM“-Projektleiter. „Die gemeinschaftlich gewonnene Expertise soll nun in die industrielle Anwendung überführt werden.“

Herausforderung: Institutsübergreifende Kommunikation

Eine wichtige Rolle im Projekt spielte das Virtual Lab. Es bündelt Kompetenzen digital und macht den gesamten AM-Prozess für alle beteiligten Partner transparent. Denn das institutsübergreifende Zusammenspiel aller Teilnehmer, die teilweise sehr unterschiedliche Bereiche der gesamten Prozesskette abdecken, war eine große Herausforderung von „FutureAM“.

Die digitale Plattform erlaubte einen Austausch über alle AM-Aufgabenfelder und -Akteure. In diesem Kontext hat die Fraunhofer-Einrichtung für Additive Produktionstechnologien IAPT beispielsweise verschiedenste Software-Tools zur Auslegung von AM-Bauteilen entwickelt. Daraus entstanden webbasierte Simulations-Tools für Metall-AM, mit denen auch Einsteiger arbeiten können.

Multi-Material-Bauteile ohne nachgelagertes Fügen

Im Handlungsfeld „Werkstoffe“ erforschte das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS, welche Materialien sich in einem Bauteil miteinander kombinieren lassen und welche Probleme dabei auftreten. Unter anderem behandelten die Dresdner die Erweiterung des einsetzbaren Spektrums additiv verarbeitungsfähiger Hochtemperaturwerkstoffe und erforschten, wie sich diese in einer Multi-Material-Bauweise vereinen lassen.

Ein spannendes Ergebnis brachte das Zusammenspiel von Laserauftragschweißen (Laser Material Deposition, LMD) und Künstlicher Intelligenz (KI): Mithilfe KI-gestützter Prozessanalyse lassen sich verschiedenste Einflussfaktoren analysieren und so der Fertigungsprozess optimieren.

Wie gut dies bereits funktioniert, demonstriert das Fraunhofer IWS an Multi-Material-Bauteilen aus Nickel und Aluminium. Je nach Bauteilanforderungen nehmen die Forscher wahlweise ein drittes oder viertes Element hinzu, um die Eigenschaften exakt an den jeweiligen Anwendungsfall anzupassen.

3D-Strukturen im XXL-Format

Die Wissenschaftler vom Fraunhofer ILT entwickelten zusammen mit einem Maschinenbauer eine Demonstrationsanlage zum 3D-Druck von Bauteilen im XXL-Maßstab. Per Laser Powder Bed Fusion (LPBF) entstand in dem großen Bauraum (1.000 mm x 800 mm x 400 mm) so ein Demonstrator-Bauteil für zukünftige Triebwerksgenerationen von Rolls-Royce. Möglich war dies wegen eines neuen Maschinensystems mit mobilem Optiksystem.

Ähnliche Erfolge gab es beim extremen Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen (EHLA), mit dem sich nun ebenfalls 3D-Bauteile herstellen lassen. Der neu entwickelte Prozess erlaubt extreme Auftragsgeschwindigkeiten bei gleichzeitig hoher Detailauflösung.

Ressourcensparen durch automatisierte Nachbearbeitung

Großes Optimierungspotenzial identifizierten die Forscher auch in der Nachbearbeitung. Das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU entwickelte daher im Rahmen des Projekts eine automatisierte Lösung hierfür.

Um das physische Bauteil zunächst zweifelsfrei identifizieren und stets nachverfolgen zu können, wird bei der Fertigung ein Code eingearbeitet und später ausgelesen. Dieser sorgt zudem für einen effizienten und störungsfreien Kopierschutz. Im nächsten Schritt wird die Ist-Geometrie des eingespannten Bauteils von Laserscannern erfasst und durch den Abgleich von Soll- und Ist-Geometrie die optimale Bearbeitungsstrategie abgeleitet. Die Bearbeitung erfolgt anschließend automatisch durch einen Roboter und wird im Prozess durch erneute 3D-Scans verifiziert.

Beteiligte Fraunhofer-Institute in der Übersicht

Folgende Einrichtungen der Fraunhofer-Gesellschaft waren am Leitprojekt „FutureAM – Next Generation Additive Manufacturing“ beteiligt:

  • Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT, Aachen (Projekt-Koordination)

  • Fraunhofer-Einrichtung für Additive Produktionstechnologien IAPT, Hamburg

  • Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM, Bremen

  • Fraunhofer-Institut für Graphische Datenverarbeitung IGD, Darmstadt

  • Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS, Dresden

  • Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Chemnitz, Dresden

Bildergalerie

  • Mehrere Laser am Fraunhofer ILT verwandeln Metallpulver per 3D-Druck in ein Demonstratorbauteil für zukünftige Rolls-Royce-Triebwerke.

    Bild: Fraunhofer-Gesellschaft

  • Das Fraunhofer IAPT entwickelte diverse Software-Tools zur Auslegung von additiv gefertigten Bauteilen.

    Bild: Fraunhofer-Gesellschaft

  • Ein Roboter am Fraunhofer IWU bearbeitet automatisch ein Bauteil nach; anschließend erfolgt eine Verifizierung per 3D-Scan.

    Bild: Fraunhofer-Gesellschaft

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