Fraunhofer-Leitprojekt soll Additive Fertigung zehn Mal schneller machen

Additive Maschinen lernen Superlegierungen kennen

Das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS erforscht im Leitprojekt „futureAM - Next Generation Additive Manufacturing“ wie mehr Werkstoffe für die additive Fertigung nutzbar gemacht werden können.

Mittels Laser-Pulver-Auftragschweißen lassen sich Bauteile aus verschiedenen Materialien integral fertigen. / Bild: Fraunhofer Institut IWS Dresden

Mit den neuen Techniken können additive Fertigungsanlagen beispielsweise künftig bessere Flugzeugtriebwerke herstellen, die weniger Kraftstoff verbrauchen. Um dorthin zu gelangen, müssten Ingenieure noch 3D-Drucker entwickeln, die sehr feste und extrem hitzebeständige Legierungen verarbeiten können.

Die Wissenschaftler arbeiten auf der Grundlage von Erfahrungen mit dem Laser-Pulver-Auftragschweißen, das sie mit Künstlicher Intelligenz versehen. Ihre besondere Werkstoffexpertise bringen sie in das Fraunhofer-Verbundprojekt »futureAM« ein. Das Ziel der Verbundpartner: Additive Fertigungsanlagen für Metallbauteile sollen zehn Mal schneller werden und auch mit Superlegierungen zurechtkommen.

Ingenieure des Fraunhofer IWS haben das Laser-Pulver-Auftragschweißen verfeinert: Eine Anlage fördert verschiedene Zusatzpulver in eine Prozesszone. Dort schmilzt ein Laser die Pulver auf und schweißt sie auf eine Werkstückoberfläche auf. So entsteht Schicht für Schicht die gewünschte Form. »Zu den Vorteilen dieses additiven Verfahrens gehört, dass wir den Prozess sehr flexibel an die Anforderungen von Hochleistungsmaterialien anpassen können«, erklärt Projektadministrator Michael Müller vom IWS. Damit gelinge es zum Beispiel auch, Nickel-Basislegierungen zu drucken, die sich mit traditionellen Verfahren nur schwer schweißen und verarbeiten lassen. Das funktioniert aber nur, wenn Temperatur, Pulversorten, Förderrate und andere Einstellungen genau stimmen.
Im Rahmen des Fraunhofer Leitprojekts „futureAM – Next Generation Additive Manufacturing“ erfassen die Ingenieure des Fraunhofer IWS zu diesem Zweck zahlreiche Sensordaten mit sehr hohen Abtastraten. Dies erzeugt allerdings große Datenmengen (»Big Data«), die für Menschen nur noch schwer zu durchschauen sind.

KI lernt zu entscheiden
Um dennoch verborgene Zusammenhänge in diesen Signalfluten zu finden, nutzen die Fraunhofer-Experten Methoden der »Künstlichen Intelligenz« (KI) und des »Maschinellen Lernens«, das ebenfalls unter dem Schlagwort Big Data in einem Arbeitskreis um Prof. Karol Kozak, Leiter Bildverarbeitung und Datenmanagement am Fraunhofer IWS, erforscht wird. Analyse-Algorithmen verknüpfen beispielsweise die ausgemessenen Sensorwerte mit der Pulverdatenbank des Instituts und werten weitere Prozessparameter aus. Mit der Zeit lernen die Maschinen dadurch, zum Beispiel selbst zu erkennen, ob sich ein leichter Temperaturanstieg im Schweißprozess tolerieren lässt oder ob sie sofort gegensteuern müssen, bevor das ganze Bauteil zum Ausschuss wird. Das Interesse aus der Wirtschaft an solchen additiven Fertigungsverfahren der nächsten Generation ist groß: »Die Industrie sucht nach immer mehr und immer anderen Werkstoffen, die oft aber nur schwer zu verarbeiten sind«, betont Prof. Frank Brückner, Geschäftsfeldleiter Generieren und Drucken am Fraunhofer IWS.

Bessere Flugzeugtriebwerke in Sicht
Ein Beispiel dafür sind die erwähnten Flugzeugtriebwerke: Sie könnten heißer und effizienter arbeiten, wenn nicht die meisten Materialien bei Temperaturen um etwa 1200 Grad bereits versagen würden. Zwar existieren Werkstoffe, die auch derart hohe Temperaturen aushalten, aber sie sind kostenintensiv und lassen sich nur schwer mit traditionellen Methoden verarbeiten. Die additive Fertigung soll dieses Dilemma lösen und könnte für eine günstigere Bauweise sorgen: »Mittels Laser-Pulver-Auftragschweißens können wir verschiedene Pulver zeitgleich oder nacheinander mit genau einstellbaren Förderraten in die Prozesszone bringen«, erklärt Michael Müller. Eine ganze Komponente aus einem einzigen Material zu konstruieren, ist wenig effektiv, denn das Bauteil ist nicht an allen Punkten derselben Hitze ausgesetzt. »Besser wäre es, das teure, hochbeanspruchbare Material nur dort zu verwenden, wo es richtig heiß wird«, sagt Michael Müller. »An anderen Stellen wäre ein preiswerteres Material ausreichend.« Eben dies lässt sich mit additiven Fertigungsanlagen durchaus realisieren – wenn sie gelernt haben, die benötigten Superlegierungen zu verarbeiten. »Im nächsten Schritt möchten wir verschiedene Hochleistungsmaterialien innerhalb einer einzigen Komponente kombinieren«, kündigt Projektadministrator Müller an. Im Verbundprojekt »futureAM« führen das IWS und fünf weitere Fraunhofer-Institute dieses und weiteres Know-how zusammen, um die additive Fertigung auf eine neue Stufe zu heben. Bis zum Sommer 2020 wollen sie all diese Expertise in die Prozesskette der additiven Fertigung integrieren und an handfesten Bauteilen demonstrieren.

»futureAM« hebt die additive Fertigung auf eine neue Stufe
Im November 2017 startete das Fraunhofer-Leitprojekt futureAM mit dem Ziel, die additive Fertigung von Metallbauteilen mindestens um den Faktor zehn zu beschleunigen. Im Mittelpunkt steht eine ganzheitliche Sicht auf die digitale und physische Wertschöpfung vom Auftragseingang bis zum fertigen metallischen 3D-Druck-Bauteil. Zentrales Ziel ist ein Sprung in eine neue Technologiegeneration der additiven Fertigung. An diesem Projekt beteiligen sich unter der Führung des Fraunhofer ILT fünf weitere Fraunhofer-Institute: IWS, IWU, IAPT sowie IGD und IFAM.