© Fraunhofer ILT, Aachen / Volker Lannert.
Ein großer Schwerpunkt des Fraunhofer-Verbunds Light & Surfaces im Bereich der Laser-Fertigungsverfahren ist die generative oder auch additive Produktion und die damit zusammenhängenden Produktionsverfahren. Dabei werden Prozess-, System- und Fertigungsketten-Entwicklungen zu folgenden Schwerpunkten bearbeitet:
Die Institute des Fraunhofer-Verbunds Light & Surfaces erforschen zusammen mit industriellen und wissenschaftlichen Partnern sowohl die grundlegenden Prozesstechnik, entwickeln geeignete Maschinenkonzepte und erarbeiten komplette Prozessketten bis hin zur Simulation der Prozesse, der notwendigen CAD/CAM-Techniken und der für einen reproduzierbaren und fehlerfreien Prozess notwendigen Prozesskontrolle.
Im Rahmen von Grundlagen-, Verbund- und Industrieprojekten aus den verschiedensten Branchen, wie bspw. der Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt, Turbomaschinenbau, Life Sciences, Elektronik, Werkzeug- und Formenbau etc., verfügen die Institute über eine weitreichende Expertise im Bereich der additiven Fertigung und der unterstützenden Prozesse, sowohl software- als auch hardware-seitig. Neben der Weiterentwicklung bestehender AM-Prozesse bzw. Prozessketten der vorhandenen Maschinen- und Systemtechnik, ist auch das Bauteil-Design sowie die Simulation und Modellbildung ein wesentlicher Arbeitsschwerpunkt.
Die Entwicklungen erfolgen in Kooperation mit wichtigen Forschungs- und Industriepartnern, wie bspw. dem Lehrstuhl Digital Additive Production (DAP) der RWTH Aachen, MTU, Siemens etc. und decken die grundlegenden Zusammenhänge der additiven Fertigung, vom Bauteildesign über die Supply Chain, die Produktion und das Bauteilhandling bis hin zu den Einsatzeigenschaften additiv gefertigter Bauteile ab. Daneben stehen begleitende Prozesse, wie die Auslegung, das Qualitätsmanagement, die Abbildung der gesamten digitalen Prozesskette und die Fabrikplanung im Fokus der Entwicklungsarbeiten.
Pulverbettverfahren, zu denen u. a. das Laserstrahlschmelzen (SLM - Selective Laser Melting) gehört, sind die bevorzugte Verfahrensvariante, wenn es um die Bauteilfertigung mit der höchsten Geometriefreiheit geht:
Das defektfrei verarbeitbare Werkstoffspektrum reicht von Stählen über Nickel- und Kobalt-Legierungen, sowie Ti-Leichtbauwerkstoffe bis hin zu Hartmetallen und Keramik. Neben werkstofflichen Untersuchungen werden am Fraunhofer IWS und am Fraunhofer ILT an der Steigerung der Vorschubgeschwindigkeit bzw. der Produktivität gearbeitet. Ziel am Fraunhofer IWS ist es beispielsweise Verarbeitungsgeschwindigkeiten zu realisieren, die mit dem Elektronenstrahlschweißen vergleichbar sind, um die Prozesseffizienz auf Bauraten > 20 cm³/h zu steigern. Am Fraunhofer ILT werden dagegen Multistrahlansätze mit mehreren Faser- und Diodenlasern verfolgt, um hohe Aufbauraten zu erzielen.
Beim Elektronenstrahlschmelzen (Electron Beam Melting - EBM), wird anstatt des Laserstrahls ein Elektronenstrahl über das Pulverbett, das aus keramischen und metallischen Pulvern bestehen kann, geführt. Die Strahlung kann - im Vergleich zu den galvanischen Scannern der lasergestützten Bearbeitung - sehr schnell durch Anpassung elektrischer Felder manipuliert werden, so dass hohe Vorschubgeschwindigkeiten von rund 8000 m/s erreicht werden können. Damit gewinnt der Prozess eine hohe Produktivität und Effizienz mit Aufbauraten zwischen 55 – 80 cm³/h. Die Hauptanwendungen liegen derzeit in der standardmäßigen Verarbeitung von Ti6Al4V, Ti6Al4V ELI, TiCP Grade 2 und ASTM F75 zur Herstellung von Implantaten und Komponenten für Luft- und Raumfahrt.
Im Vergleich zu SLM-Prozessen bedingt diese Art der Bearbeitung allerdings eine wesentlich höhere Oberflächenrauheit, die typischerweise im Bereich von 20-40 μm liegt. Dies erfordert in der Regel eine glättende Nachbearbeitung, um die gewünschten technischen Oberflächenqualitäten zu erzielen.
Beim Laser-Pulver-Auftragschweißen (LPA) werden pulverförmige Zusatzwerkstoffe mittels Laserstrahl auf ein Bauteil aufgeschmolzen. Durch das Abfahren von zuvor festgelegten Bahnen wird die gewünschte Geometrie ausgebildet und gewinnt durch Überlagerung von Bahnen bzw. Schweißraupen seine dreidimensionale Kontur. Der Prozess des Laser-Auftragschweißens kann mit einer lokalen, induktiven Zusatzerwärmung kombiniert werden. Ziel der Entwicklungsarbeiten am Fraunhofer IWS ist es, einen möglichst wirtschaftlichen Prozess hoher Qualität und Genauigkeit zu realisieren. Weiterhin wird die Skalierung des LPA-Prozesses, bspw. zur Realisierung von Mikrostrukturen < 100 μm, vorangetrieben. Verarbeitet werden sowohl Leichtmetall- und Nickelsuperlegierungen, Stahl und intermetallische Werkstoffe als auch Hartstoffsysteme (Karbide).
Leistungsangebot:
Neben den rein schmelztechnischen Verfahren kommen auch Sinterverfahren zum Einsatz, bei denen nach einer schichtweisen Drucktechnik die erzeugten Komponenten in die endgültige Form gebracht werden. Additive Fertigungsverfahren wie das selektive Lasersintern werden vom Fraunhofer IOF für die Herstellung speziell designter Leichtgewichtsstrukturen für Metalloptiken höchster Qualität eingesetzt.
Im Mittelpunkt der Drucktechnik am Fraunhofer IWS stehen die Entwicklung von pasten- und tintenbasierten Verfahren, die einen 3D-Multimaterialdruck ermöglichen, sowie die additive Fertigung von Polymer- und Polymerkompositstrukturen durch Druckprozesse, die auf dem Fused Deposition Modeling basieren. Das verarbeitbare Spektrum an Materialien für Dispens- und Aerosoldruck ist sehr breit, da sämtliche Materialien infrage kommen, die in stabile Pasten oder Tinten überführt werden können. Dazu zählen bspw. Metalle, Halbleiter, Polymere oder nanopartikelhaltige Dispersionen sowie Keramiken und Komposite. Für nachstehende Sinter- oder Trocknungsschritte werden Plasma- oder Lasertechnologien genutzt.
Darüber hinaus werden für polymerbasierte generative Verfahren im Bereich der Polymerisationstechniken neue Ansätze entwickelt. Hier stehen sowohl neue optische Ansätze für die Stereolithographie und das Digital Light Processing im Fokus, mit denen eine deutliche Steigerung der Prozessgeschwindigkeit erreicht werden soll. Darüber hinaus werden Prozess- und Systementwicklungen zur Multi-Photonen-Lithographie verfolgt, um Strukturen im Bereich < 1 µm zu erzeugen. Kombiniert werden diese Arbeiten durch Materialentwicklungen, wie z. B. neuen Thiol-En-Kompositionen, die eine hohe Funktionalität ermöglichen, ohne Initiatoren auskommen und die Generierung unterschiedlichster Polymerzusammensetzungen erlauben.
An den Instituten Fraunhofer IOF und Fraunhofer ILT werden Technologien zum Drucken von Verdrahtungsstrukturen aus Silber und Gold sowie aktorisch wirksamer Materialien untersucht. Aber auch in Life Science-Anwendungen wie Lab-on-Chip-Systemen zur patientennahen Diagnostik sind gedruckte aktorische Strukturen von Interesse, zum Beispiel für chipintegrierte Pumpen und Ventile.
Leistungsangebot:
Einer der Entwicklungsschwerpunkte des Fraunhofer IST ist die Oberflächenbehandlung von Bauteilen im Bereich Additive Manufacturing. Die Optimierung der Oberfläche erfolgt unter Berücksichtigung der Bauteilgeometrie, des Bauteilwerkstoffs, der gewünschten Oberflächeneigenschaften sowie der konkreten Einsatzbedingungen. Variiert werden vor allem Oberflächenrauigkeit durch Einebnung oder gezieltes Aufrauen, Schichtaufbau und Schichtzusammensetzung und damit die Schichteigenschaften. Gleichzeitig erfolgt neben der reinen Oberflächenoptimierung eine Abstimmung und Optimierung der gesamten Fertigungskette. Direkt applizierte Dünnschichtsensoren ermöglichen darüber hinaus die Messung lokaler Dehnungen am Bauteil und damit eine intelligente Bauteilauslegung.
Fraunhofer-Verbund Light & Surfaces