Maßgeschneiderte Werkstoffe für den 3D-Druck

Vielfalt an Materialeigenschaften mit dem "LPBF-Pulverbaukasten"

Forschung
Publikationen und Studien
Additive Manufacturing
Eines der bekanntesten AM-Verfahren ist das pulverbasierte Laserstrahlschmelzen (LPBF). Obwohl es großes Potenzial für die industrielle Anwendung bietet, wird es derzeit durch eine limitierte Werkstoffpalette begrenzt. Das IWM der RWTH Aachen und das Fraunhofer IFAM suchten nun in dem durch die AiF geförderten Vorhaben „LPBF-Pulverbaukasten“ nach Lösungen, um das Marktpotenzial des LPBF ausbauen zu können. 

Sie erzielten eine individuelle und robuste Lösung, mit der Anwender trotz einer kleinen Auswahl an Metallpulvern die gewünschten Materialeigenschaften abdecken und die Legierungen flexibel einstellen können. 

Forschung an AM-Werkstoffen befindet sich noch am Anfang
Der 3D-Druck erlaubt eine maximale gestalterische Freiheit in der Konstruktion und Produktion von Bauteilen. Daher ist das Verfahren insbesondere für Automobilbau oder Luft- und Raumfahrt attraktiv. Allerdings steht den gestalterischen Möglichkeiten die begrenzte Auswahl an Werkstoffen mit optimierten Materialeigenschaften gegenüber. Während in der konventionellen Produktion hunderte Arten von legierten und unlegierten Stählen und Leichtmetallen für jede spezifische Anwendung verfügbar sind, ist die Werkstoffpalette im 3D-Druck überschaubar. Die Auswahl über alle metallischen Werkstoffe beschränkt sich auf weniger als 30 Materialien. 

Vielfalt an Materialeigenschaften mit dem „LPBF-Pulverbaukasten“ 
Basierend auf den geforderten Materialeigenschaften wird in dem neu entwickelten Verfahren eine Legierungszusammensetzung gewählt und mittels thermodynamischer Simulationsmethoden ein passendes Pulver konzipiert. Durch einen Pulverbaukasten, der beispielsweise aus Eisenbasispulver mit und ohne Kohlenstoff, Chrom, Nickel, Molybdän und Titancarbid besteht, lassen sich Werkstoffeigenschaften gezielt beeinflussen. Die Pulveraufbereitung erfolgt durch angepasste Misch- und Homogenisierungsverfahren. Anschließend werden die mikrostrukturellen und mechanischen Eigenschaften des auf diese Weise erzeugten Werkstoffes geprüft. 

Im Laserstrahlschmelzprozess schmelzen die Metallpulverpartikel auf und vermischen sich zur gewünschten Legierung. Am Ende des Prozesses steht das fertige Bauteil mit maßgeschneiderten Materialeigenschaften.

Während der Entwicklungsarbeiten konnten korrosionsbeständige Werkzeug- und Duplexstähle hergestellt werden, die resistenter sind als das jeweilige Basispulver. Als weiterer Vorteil zeigte sich die Möglichkeit, das Gefüge durch Anpassung von Laserparametern einzustellen. Mit dem entwickelten Pulverbaukasten lassen sich beispielsweise Karbide in Werkzeugstählen hinsichtlich in ihrer Größe variieren und zu homogenen Bauteilen verarbeiten.

Flexibilität und Sicherheit in der Produktion
Von dem Forschungsvorhaben profitieren Unternehmen, die hoch flexibel sein müssen und verschiedene Kunden mit unterschiedlichen Anforderungsprofilen beliefern. Dazu zählen insbesondere Produktionsdienstleister, die meist zu den kleinen und mittelständischen Unternehmen gehören. Sind die Grundmaterialien einmal beschafft, können durch den „LPBF-Pulverbaukasten“ gewünschte Materialeigenschaften eingestellt und die Produktion bei potenziellen Lieferengpässen sichergestellt werden.

Nächste Entwicklungsschritte 
Das Forschungsprojekt erstreckte sich über zweieinhalb Jahre und wurde im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz BMWK gefördert. Eine Fortsetzung des Projekts ist beabsichtigt. Nächste Entwicklungsschritte sind die automatisierte Berechnung und Einstellung der Pulvermischung für die spezifische Produktentwicklung. 

Interessierte Unternehmen können im projektbegleitenden Ausschuss des anschließenden Forschungsvorhabens „Gezielte Optimierung von Homogenität und Flexibilität im LPBF-Pulverbaukasten“ mitwirken.

Über das Fraunhofer IFAM 
Das Fraunhofer IFAM ist eine der europaweit bedeutendsten unabhängigen Forschungseinrichtungen auf den Gebieten „Klebtechnik und Oberflächen“ sowie „Formgebung und Funktionswerkstoffe“. Ziel der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten des Instituts ist, zuverlässige und anwendungsorientierte Lösungen für den industriellen Einsatz zu entwickeln.
www.ifam.fraunhofer.de

Über das IWM der RWTH Aachen
Das Institut für Werkstoffanwendungen im Maschinenbau der RWTH Aachen, IWM, erforscht metallische und keramische Werkstoffe und ihre materialgerechte konstruktive Verwendung. Zudem beschäftigt es sich mit der Charakterisierung dieser Materialien. 
www.iwm.rwth-aachen.de

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