Forschungsprojekt Wie Ultraschall beim Laserauftragsschweißen zu robusteren Bauteilen führt

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Fraunhofer IWS Dresden

Wird beim draht- und pulverbasierten Laserauftragschweißen eine maßgeschneiderte feinkörnige Mikrostruktur erzeugt, können an den additiv hergestellten Bauteilen die mechanischen Eigenschaften gezielt verbessert werden. Erreicht werden kann dies mittels Ultraschall. Fraunhofer IWS und IAPT starten dazu gemeinsam mit dem australischem RMIT Centre for Additive Manufacturing das Projekt „UltraGrain“.

Ziel des Projekts Ultra Grain ist die Verbesserung der Ermüdungsbeständigkeit, Festigkeit, Belastbarkeit und Duktilität sowie die Reduzierung der Rissanfälligkeit von additiv gefertigten Bauteilen. Das Forschungsprojekt ist das erste finanziell dotierte Vorhaben von Fraunhofer IWS, Fraunhofer IAPT und RMIT, das direkt in einen Transfer in die industrielle Praxis münden soll. Die Fraunhofer-Gesellschaft fördert das Projekt mit 1,5 Millionen Euro. Weitere 2,5 Millionen Euro steuern die australischen Partner zu.

Feine Vibrationen verhindern säulenartige Strukturen

Um gezielt die innere Kornstruktur von 3D-gedruckten Bauteilen und damit deren mechanische Eigenschaften zu beeinflussen, kombinieren die Forschenden das bewährte draht- und pulverbasierte Laserauftragschweißen mit Ultraschall. Wie das Fraunhofer IWS mitteilt, senden sie dafür während des additiven Auftragsprozesses feine Vibrationen mit einer präzise definierten Frequenz durch das entstehende Bauteil. Der Ultraschall verhindere, dass sich säulenartige Strukturen bilden. Diese mikroskopisch kleinen Säulen im Material sind oft unerwünscht, da ihre einseitige Ausrichtung zu schlechteren mechanischen Leistungen führt. Unter Ultraschallwirkung hingegen bilden sich feinere, rund geformte Mikrokörner, die an den bearbeiteten Stellen nahezu gleichmäßig verteilt sind, heißt es. Diese equiaxiale Ausrichtung erhöhe die mechanische und chemische Belastbarkeit der additiv erzeugten Werkstücke.

Mikrostruktur gezielt steuerbar

Weil sich der Ultraschall gezielt steuern lässt, können die Bauteil-Designer genau vorgeben, an welchen Stellen das Werkstück später im Einsatz großen Belastungen ausgesetzt sein wird. Dort kann dann eine ultraschall-gesteuerte Kornstruktur eingeplant werden. Laut Fraunhofer IWS ist solch eine Gradierung wichtig, damit beispielsweise Gastanks von Raumsonden später einmal die besonderen Herausforderungen im Weltall über Jahre hinweg aushalten oder Werkzeuge in Autofabriken selbst hohen Punktbelastungen in der Massenproduktion widerstehen.

Die Aufgaben der Forschungspartner

Das Fraunhofer IWS bringt in den Forschungsverbund seine Expertise im Laserauftragschweißen und Systemtechnikentwicklung ein. Im Fokus stehen Anlagen, die die gewünschten Titan- oder Stahllegierungen dem Laser in Drahtform zuführen. Geplant sind außerdem Untersuchungen mit pulverförmigen Ausgangsmaterialien. Das Fraunhofer IAPT beschäftigt sich mit der optimalen Auslegung von Bauteilen mit unterschiedlichen Kornstrukturen. Es wird eine Methodik zur optimalen Platzierung ultraschallbeeinflusster Materialbereiche innerhalb einer bestimmten Bauteilgeometrie entwickeln. Darüber hinaus soll eine optimale Bahnplanung für die neue Prozesstechnologie erstellt werden. Als internationaler universitärer Partner erforscht das RMIT Centre for Additive Manufacturing mit fortschrittlichen Synchrotronmessungen die physikalischen Prozesse, die der Ultraschall bei dem neuen Verfahrensansatz im Werkstoff auslöst. Außerdem untersuchen die australischen Expertinnen und Experten mögliche Skalierungseffekte.

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