Materialforschung Ein Pulverbaukasten erweitert die Materialvielfalt für den 3D-Druck

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Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angew. Materialforschung - IFAM -

Das pulverbasierte Laserstrahlschmelzen (LPBF) von Metallpulvern für den 3D-Druck hat sich bewährt. Doch die Werkstoffpalette ist begrenzt. Das wollen Forscher nun ändern.

Das wohl bekannteste und für die Industrie attraktivste additive Fertigungsverfahren für Metallteile ist nach Meinung der Experten vom Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und angewandte Materialforschung IFAM in Bremen das pulverbasierte Laserstrahlschmelzen. Wie aber kann das Riff der derzeit limitierten Werkstoffpalette umschifft und das Marktpotenzial weiter ausgebaut werden, haben sich die Bremer gefragt. Nun suchten sie mit dem IWM der RWTH Aachen im Rahmen eines durch die AiF geförderten Vorhabens namens „LPBF-Pulverbaukasten“ nach einer Antwort – mit Erfolg! Denn schließlilch konnten sie eine individuelle und prozesssichere Methode zur Herstellung von Metallpulvermischungen entwickeln, mit der aus einer zwar eher kleinen Auswahl an Metallpulvern aber viele Legierungsvarianten herstellbar sind, um Bauteilen diverse Wunscheigenschaften zu verleihen.

Hier verraten die Forscher nun, wie sie das geschafft haben.

Der metallische 3D-Druck kann nicht mal 30 Werkstoffarten nutzen

Der 3D-Druck mithilfe von per Laser geschmolzenem Metallpulver erlaubt bekanntlich eine mit klassischen Produktionsmethoden kaum erreichbare gestalterische Freiheit in puncto Konstruktion und Produktion von komplexesten Bauteilen. Deshalb konnten sich die 3D-Druckverfahren in technischen Bereichen wie dem Automobilbau oder der Luft- und Raumfahrt mit der Zeit gut etablieren. Die unterschiedlichen Anwendungsfelder erfordern jedoch nicht nur eine ideal konstruierte Geometrie, sondern auch optimierte Materialeigenschaften, betonen die Bremer. Dafür braucht es natürlich entsprechend angepasste Werkstoffe.

Die Forschung an Werkstoffen für die additive Fertigung stehe jedoch noch relativ am Anfang ihrer Möglichkeiten. Bisher werden nämlich weitgehend Werkstoffe verarbeitet, die von den Anlagenherstellern für ihre Prozesse qualifiziert wurden, um die verschiedenen 3D-Druckprozesse für die Industrie attraktiv zu machen. Diese Werkstoffpalette ist, wie bereits angedeutet, recht überschaubar und hinsichtlich der Diversität der meist schmelzmetallurgisch hergestellten, konventionellen Werkstoffe nicht vergleichbar, erklären die IFAM-Spezialisten. Für die üblichen, also subtraktiven respektive materialabtragenden, Produktionsprozessen gibt es aber schon hunderte von verschiedenen Stähle, Aluminiumlegierungen, verschleißfeste Kobalt-Chrom-Legierungen und vieles mehr, die jeder spezifischen Anwendung das richtige Material bieten. Für den metallischen 3D-Druck kann man bisher auf nicht mal 30 Materialien zurückgreifen, was die Flexibilität in Sachen Bauteileigenschaften schmälert. Aber die richtigen Elemente sorgen für eine hohe Vielfalt an Materialeigenschaften, heißt es weiter.

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Mit dem Pulverbaukasten aber, der beispielsweise aus Eisenbasispulver mit und ohne Kohlenstoff, Chrom, Nickel, Molybdän und Titancarbid besteht, lässt sich die Werkstoffpalette spezifisch erweitern, betonen die Bremer Experten. Zu den häufig geforderten Materialeigenschaften zählen etwa Korrosionsbeständigkeit, Festigkeit, Härte und Wärmeleitfähigkeit. Viele Stahllegierungen bestehen außerdem aus denselben Elementen, wozu Kohlenstoff, Chrom und Nickel gehören. Sie unterscheiden sich aber in ihren Anteilen in der Legierung.

Das neu entwickelte Verfahren erlaubt nun aber die Wahl der Legierungszusammensetzung, ausgehend vom spezifischen Anforderungsprofil des Werkstoffs. Und auch die passende Pulverzusammensetzung kann mittels thermodynamischer Simulationsmethoden und der Pulveraufbereitung durch angepasste Misch- und Homogenisierungsverfahren erreicht werden. Wenn man weiß, was man braucht, können die optimalen Prozessparameter für die Werkstoffmixtur bestimmt werden. Der Werkstoff auf dieser Basis erzeugt, wird er durch mikrostrukturelle Charakterisierung und Prüfung seiner mechanischen Eigenschaften qualifiziert. Ist das Pulver dann gemischt, entsteht die Legierung durch die Energie des Laserstrahls, die die Pulverpartikel verflüssigt, wobei sich die Schmelzeanteile zwangsläufig vermengen. Parallel dazu „wächst“ das Bauteil aus dem Pulverbett nach und nach heraus, bis es fertiggestellt ist. Es hat dann genau die gewünschten Eigenschaften, versprechen die Forscher.

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Neuartige Werkzeug- und Duplexstähle für den 3D-Druck

Als erste konkrete Anwendung innerhalb des Projekts galt es maßgeschneiderte, korrosionsbeständige Edelstähle für gezielt eingestellte Eigenschaftsprofile durch Legieren herzustellen, wie die Forscher weiter ausführen. Während der Entwicklungsarbeiten wurden die Einflussfaktoren, die eine gute korrosionsbeständige Legierungsbildung begünstigen, identifiziert und die Güte der Legierung anwendungsorientiert geprüft. Es konnte gezeigt werden, dass die im LPBF-Prozess legierten korrosionsbeständigen Werkzeug- und Duplexstähle resistenter sind als das jeweilige Basispulver. Auch die gewünschten Zieleigenschaften konnten erreicht werden.

Ein weiterer Vorteil folgt aus der Möglichkeit, das Metallgefüge mithilfe von angepassten Laserparametern einzustellen. Ein Beispiel dafür sind die unterschiedlich großen Karbidpartikel in der Struktur der Werkzeugstähle. Je nach Einsatzgebiet werden nämlich verschiedene Größen benötigt. Mit dem entwickelten Pulverbaukasten lassen sich diese gezielt und relativ einfach variieren sowie zu homogenen Bauteilen verarbeiten. Die nächsten Entwicklungsschritte sind die automatisierte Berechnung und Einstellung der Pulvermischung für die spezifische Produktentwicklung.

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Eine gute Chance, gegen Lieferengpässe gewappnet zu sein

Von dem Forschungsvorhaben profitierten insbesondere Unternehmen, die hoch flexibel sein müssen und verschiedene Kunden mit unterschiedlichen Anforderungsprofilen zu beliefern haben. Dazu zählen die Forscher insbesondere Produktionsdienstleister, die meist zu den kleinen und mittelständischen Unternehmen gehören. Die Produktion von Metallpulvern dauert im Normalfall vier Wochen, merken die Bremer an. Möchte ein Fertigungsdienstleister verschiedene Materialien mit geringen Mengen abdecken, wachsen die Wartezeiten aber enorm. Sind die Grundmaterialien einmal beschafft, können durch den LPBF-Pulverbaukasten die gewünschten Materialeigenschaften eingestellt und die Produktion nicht zuletzt auch bei potenziellen Lieferengpässen sichergestellt werden.

Die vorgestellten Arbeiten wurden im IGF-Vorhaben 20933 N der Forschungsgesellschaft Stahlverformung e.V. über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz BMWK aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

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