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Leitprojekt „Future AM“ abgeschlossen Sechs Fraunhofer-Institute forschen an Zukunft des Metall-3D-Drucks

Von Katharina Juschkat |

Zehnmal schneller drucken und automatisiertes Nachbearbeiten – drei Jahre lang forschten sechs Fraunhofer-Institute an der Zukunft des metallischen 3D-Drucks. Das sind die Ergebnisse.

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Das Fraunhofer Leitprojekt hat viele neue Technologien hervorgebracht, etwa die automatische, bauteilspezifische Nachbearbeitung durch einen Roboter.
Das Fraunhofer Leitprojekt hat viele neue Technologien hervorgebracht, etwa die automatische, bauteilspezifische Nachbearbeitung durch einen Roboter.
(Bild: Fraunhofer)

Im Leitprojekt „Future AM –Next Generation Additive Manufacturing“ forschten sechs Fraunhofer-Institute gemeinsam an neuen Technologien für den metallischen 3D-Druck. Nach dreijähriger Laufzeit ist das Projekt jetzt beendet und die Institute stellen ihre Ergebnisse vor.

Das Fraunhofer-Leitprojekt „Future AM – Next Generation Additive Manufacturing“

Mit Future AM treibt die Fraunhofer-Gesellschaft die Weiterentwicklung der additiven Fertigung metallischer Bauteile voran. Im Mittelpunkt steht zum einen die ganzheitliche Sicht auf die digitale und physische Wertschöpfung vom Auftragseingang bis zum fertigen metallischen 3D-Druck-Bauteil, zum anderen der Sprung in eine neue Technologie-Generation der Additiven Fertigung.

Beteiligt waren folgende Institute:

  • Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT, Aachen (Projekt-Koordination)
  • Fraunhofer-Einrichtung für Additive Produktionstechnologien IAPT, Hamburg
  • Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM, Bremen
  • Fraunhofer-Institut für Graphische Datenverarbeitung IGD, Darmstadt
  • Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS, Dresden
  • Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Chemnitz, Dresden

Zehnmal schneller drucken

Die Wissenschaftler vom Fraunhofer ILT aus Aachen entwickelten eine Demonstrator-Anlage zum Drucken großer Bauteile mittels Laser Powder Bed Fusion (LPBF). Der Bauraum der Anlage ist mit 1000 mm × 800 mm × 400 mm sehr groß. Die Wissenschaftler haben für die Anlage einen neuen Laserkopf entwickelt, der die Produktivität im Vergleich zu üblichen LPBF-Anlagen um den Faktor 10 steigert.

Auch am sogenannten extremen Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen EHLA hat das Institut geforscht. Mit der Technik lassen sich Bauteile besonders wirtschaftlich und gleichzeitig umweltfreundlich beschichten, reparieren oder additiv fertigen. Angewendet wird es beispielsweise beim schnellen Auftragen von dünnen Schutzschichten, beispielsweise auf meterlangen Offshore-Zylindern.

Bisher kam EHLA nur bei rotationssymmetrischen Teilen zum Einsatz. Im nächsten Schritt steht nun das Erzeugen von 3D-Geometrien an. Dazu entsteht in Aachen eine Prototyp-Anlage, auf der das Werkstück hochdynamisch mit bis zum Fünffachen der Erdbeschleunigung unter der EHLA-Pulverdüse bewegt wird.

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Roboter übernimmt automatisiert die Nachbearbeitung

Das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU in Chemnitz entwickelte eine automatisierte Lösung für die Nachbearbeitung. Zunächst wird dafür ein Code in das Bauteil eingearbeitet, damit es zweifelsfrei identifiziert werden kann. Außerdem dient der Code als Kopierschutz.

Im nächsten Schritt erfassen Laserscanner die aktuelle Ist-Geometrie des Bauteils. Dieser Scan wird mit der Soll-Geometrie abgeglichen. Ein Roboter übernimmt anschließend automatisiert die Nachbearbeitung, die im Prozess durch erneute 3D-Scans überprüft wird.

Wir stehen jetzt an der Schwelle zur industriellen Umsetzung.

Christian Tenbrock, Projektleiter von Future AM

KI verbessert Multi-Material-Bauweise

Im Bereich Werkstoffe erforschte das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS, welche Materialien sich in einem Bauteil miteinander kombinieren lassen und welche Probleme dabei auftreten. Dabei ging es unter anderem darum, weitere Hochtemperaturwerkstoffe zu finden, die im 3D-Druck eingesetzt werden können sowie deren Verwendung in einer Multi-Material-Bauweise.

Ein spannendes Ergebnis brachte das Zusammenspiel von Laserauftragschweißen (Laser Material Deposition, LMD) und Künstlicher Intelligenz (KI) zutage: Mit Hilfe KI-gestützter Prozessanalyse lassen sich verschiedene Einflussfaktoren analysieren und so der Fertigungsprozess optimieren. Wie gut dies bereits funktioniert, demonstriert das Fraunhofer IWS an Multi-Material-Bauteilen aus Nickel und Aluminium. Je nach Bauteilanforderungen nehmen die Forscher wahlweise ein drittes oder viertes Element hinzu, um die Eigenschaften exakt an den jeweiligen Anwendungsfall anzupassen.

Neue Simulationstools für Metall-3D-Druck

Um institutsübergreifend miteinander arbeiten zu können, haben die Forscher über das Virtual Lab, einer digitalen Austauschplattform, zusammengearbeitet. Dafür hat die Fraunhofer-Einrichtung für Additive Produktionstechnologien IAPT beispielsweise verschiedene Softwaretools zur Auslegung von Bauteilen entwickelt. Auf diese Weise entstehen webbasierte Simulations-Tools für Metall-3D-Druck, mit denen auch Einsteiger arbeiten können.

Dazu gehört die erweiterbare Toolbox Auto Part IO, die AM-Bauteile simuliert und optimiert. Zunächst wird die Topologieoptimierung mathematisch implementiert. Betrachtet wird die Steifigkeitsoptimierung, Bionikelemente sowie Wärmetransport- und strömungsmechanische Problemstellungen.

In Anlehnung an das CAD (Computer-Aided Design) werden die Software-Bauteile in dem Computer-Aided-Function-Modul dem Benutzer grafisch dargestellt. Auch ohne umfassende AM-Kenntnisse sollen Benutzer damit Potenzialabschätzung treffen können.

Wie es nach dem Projekt weitergeht

Innerhalb der dreijährigen Forschungsphase des Fraunhofer Leitprojektes haben die Institute Technologiesprünge in der Systemtechnik, bei den Werkstoffen und in der Prozessführung sowie bei der durchgängigen Digitalisierung erreicht. Mit den neuen Techniken kann die Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit des metallischen 3D-Drucks gesteigert werden. „Wir stehen jetzt an der Schwelle zur industriellen Umsetzung“, sagt Christian Tenbrock, Projektleiter von Future AM. „Die gemeinschaftlich gewonnene Expertise soll nun in die industrielle Anwendung überführt werden.“

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