Forschungsprojekt Multimaterial-Bauteile für den metallischen 3D-Druck

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Universität Paderborn

Die additive Fertigung verspricht aufgrund ihrer Geometriefreiheit komplexe Leichtbaukomponenten. Ein europaweites Forschungsteam will jetzt hybride Metallkomponenten aus mehreren Werkstoffen für Industrieanwendungen entwickeln. Computer designte Materialkombination und zwei pulverbasierte Verfahren werden dabei zum Einsatz kommen.

Das von der Europäischen Union geförderte Projekt „MADE-3D“ (Multi-Material Design using 3D Printing) hat unter Leitung der Universität Paderborn zum Ziel, eine noch nie dagewesene Gestaltungsfreiheit für hochkomplexe (Leicht-)Bauteile aus Metallen ermöglichen. Dafür entwickelt das Projektteam innovative Multimaterial-Bauteile mit lokal zugeschnittenen mechanischen, elektrischen, thermischen und magnetischen Eigenschaften für Anwendungen in der Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt. Es besteht aus Forschungseinrichtungen, Marktführern der additiven Fertigung, Luft- und Raumfahrt, Automobiltechnik und Start-ups, die ein breites Spektrum internationaler Expertise mitbringen.

Bisherige Merallpulver genügen den vielfältigen Anforderungen nicht

Wie die Universität Paderborn mitteilt, lassen sich heutzutage durch die additive Fertigung Bauteile zwar fast grenzenlos individualisieren und verschiedene Funktionen in einem einzigen Druckprozess integrieren. Jedoch brauche es dafür geeignetes Material. Die bis dato verwendeten Werkstoffe genügen den vielschichtigen Anforderungen – etwa Biegsamkeit, Temperaturstabilität und magnetische Eigenschaften in einem Teil zu vereinen – aufgrund ihrer homogenen Materialeigenschaften nicht. Hinzu komme, dass die Mehrheit der Stähle und Legierungen wegen Rissbildungen nicht gedruckt werden kann.

Materialkombination sollen computerbasiert erstellt werden

Hier setzt das internationale Expertenteam an. Mit einem systematischen computerbasierten Materialdesign sollen für den jeweiligen Anwendungsfall die gewünschten Werkstoffeigenschaften in Abhängigkeit von der chemischen Zusammensetzung berechnet und vorausgesagt werden. Für jeden Multimaterial-Kandidaten wird dann laut Uni Paderborn innerhalb von zwei bis drei Iterationen eine Materialkombination erstellt, die als Blaupause für vielzählige weitere Applikationen dienen kann. Der Einsatz von maschinellem Lernen in der Prozessentwicklung soll zu kürzeren Entwicklungszyklen führen und die Digitalisierung der Prozesskette vorantreiben, heißt es. Der Weg vom Pulver zum Bauteil führe dann über zwei additive Fertigungstechnologien: Durch Selektives Laserschmelzen (L-PBF) und Laserauftragschweißen (DED) werden die zerstäubten Multimaterial-Kombinationen lokal und gezielt verteilt in 3D gedruckt, sodass hochqualitative Bauteile entstehen. Darüber hinaus sollen verschiedene Verfahren im Hinblick auf die Trennungseffizienz der hybriden Bauteile getestet werden, um Materialmischungen bestmöglich recyceln zu können. Bis zu 99 Prozent des verwendeten Materials will man wieder aufbereiten können.

Bis zu 50 Prozent weniger Gewicht wird angestrebt

Das Projektteam testet die innovativen Ansätze in fünf Anwendungsfällen im Bereich der Automobil-, Luft- und Raumfahrtindustrie. Dabei sind die Ziele klar definiert: Durch die Verarbeitung verschiedener Materialien soll das Gewicht einzelner Teile um bis zu 50 Prozent im Vergleich zu derzeit verwendeten Komponenten reduziert werden. Gelingen soll dies durch Materialersatz (Verwendung leichterer Metalle) und deren Herstellung durch AM (d. h. weniger Materialverbrauch und Individualisierbarkeit der Funktionen). Ganz konkret arbeiten sie beispielsweise daran, Antriebssysteme in der Luftfahrt leichter zu gestalten, um sowohl Kosten zu sparen als auch einen großen Schritt in Richtung Nachhaltigkeit zu machen. Außerdem wollen sie die Leistung von Elektromotoren durch den Einsatz von Materialkombinationen, die eine bessere Magnetplatzierung und Ausrichtung des magnetischen Flusses ermöglichen, optimieren. Die Projektergebnisse sollen später auf viele andere Sektoren, wie z. B. Gesundheit und Energie, übertragbar sein.

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