Foto: OC Oerlikon Corporation AG,

Forschung

Hochfeste Leichtmetall-Legierungen auf Aluminiumbasis

Oerlikon, Linde und die TU München forschen gemeinsam an leichteren Komponenten für die Luft- und Raumfahrt- sowie Automobilindustrie.

Oerlikon, ein führender Technologie-Konzern mit umfangreicher Expertise im Werkstoff-Bereich, ist mit Linde, einem der weltweit größten Industriegasehersteller, sowie der Technischen Universität München (TUM), einer der führenden deutschen Universitäten im Ingenieurwesen, eine Forschungsallianz für additive Fertigung (AM) eingegangen. Die Partner wollen neue hochfeste Leichtmetall-Legierungen auf Aluminiumbasis entwickeln, um die hohe Nachfrage der Luft- und Raumfahrt- sowie Automobilindustrie nach Sicherheit und Gewichtsreduzierung zu erfüllen. Das Forschungsprojekt mit einem Volumen von 1,7 Mio. Euro wird zu 50 % vom bayerischen Wirtschaftsministerium finanziert.

Bündelung komplementärer Kernkompetenzen

Die Forschungskooperation entstand in direktem Zusammenhang mit einem im Oktober angekündigten AM-Gemeinschaftsprojekt: Damals gaben TUM, Oerlikon, GE Additive und Linde die Errichtung eines bayerischen AM-Clusters und eines Instituts für additive Fertigung bekannt, um die Zusammenarbeit und fachübergreifende Forschung zwischen den drei Unternehmen und der Universität zu fördern. Durch die Bündelung komplementärer Kernkompetenzen an einem Standort soll die Industrialisierung der additiven Fertigung beschleunigt werden.Die Verarbeitung einer Aluminiumlegierung mit einem hohen Anteil an leichten Elementen (wie z.B. Magnesium) in einem AM-Prozess erfordert ein tiefgehendes Verständnis über die zugrundeliegenden chemischen, thermischen und fluiddynamischen Prozesse. Während des Herstellungsprozesses wird das Metallpulver Schicht für Schicht auf einer Bauplatte aufgetragen und durch einen Laserstrahl lokal erhitzt. Dadurch verschmilzt das Metallpulver und erstarrt in den gewünschten komplexen, dreidimensionalen Geometrien. Der Prozess erfolgt in einer bestmöglich auf die Materialien abgestimmten Schutzgasatmosphäre.

Wie sich die drei Partner ergänzen

  • Oerlikons Expertise im Bereich von Pulvern und Werkstoffen wird zur Entwicklung des neuartigen Werkstoffes beitragen. „Dank unserer in-house Software Scoperta-RAD können wir durch umfangreiche Big-Data-Simulationen und -Analysen hochrelevante Lösungen für die Entwicklung innovativer Werkstoffe bieten oder das Leistungsspektrum bereits verfügbarerer Werkstoffe optimieren“, so Dr. Alper Evirgen, Metallurge bei Oerlikon AM. „Die Verarbeitung von Aluminiumlegierungen mittels additiver Fertigung birgt einige Herausforderungen. Die durch die hohen Temperaturen hervorgerufenen extremen Bedingungen im Schmelzbad können dazu führen, dass leichtsiedende Legierungsbestandteile wie Magnesium einfach verdampfen“, erläutert Dr. Marcus Giglmaier, Project Manager AM Institute. „Außerdem werden während des Erstarrungsvorgangs Abkühlraten von mehr als 1 Mio. Grad Celsius pro Sekunde erreicht wodurch extrem hohe Spannungszustände im Material erzeugt werden und sogenannte Mikro-Risse entstehen können.“
  • Das Know-how und die Technologien von Linde in Bezug auf die Kontrolle der Gasatmosphäre während des AM-Prozesses hilft bei der Vermeidung von Verunreinigungen im Druckprozess und eröffnet den Anwendern die Möglichkeit, optimale Druckbedingungen zu erzielen. „Die Charakterisierung und Kontrolle des Gasprozesses während der additiven Fertigung birgt nicht nur das Potenzial, Verdampfungsverluste zu verhindern, sondern kann auch den gesamten Druckprozess beschleunigen“, erklärt Thomas Ammann, Expert Additive Manufacturing bei Linde. „Die Verwendung von maßgeschneiderten Gasgemischen für die neue Legierung werden dabei helfen, die im Schmelzbad auftretenden Prozesse zu kontrollieren, die Änderungen in der Zusammensetzung der Legierungen zu minimieren und Rissbildung während des Druckprozesses zu verhindern.“
  • Das Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik (AER) an der Technischen Universität München verfügt durch den Einsatz numerischer Simulationen über ein detailliertes Verständnis zu den physikalischen Vorgängen, die während des Prozesses der additiven Fertigung auftreten. „Die AM-Forschungsallianz schließt die Lücke zwischen unseren neuesten numerischen Modellierungsergebnissen und künftigen Industrieanwendungen“, sagt Prof. Nikolaus Adams, Lehrstuhlleiter für Aerodynamik und Strömungstechnik. Im AER wurde ein Prozess-Simulationstool entwickelt, das die gesamte Schmelzbaddynamik abdeckt. Es umfasst Modelle für den Phasenwechsel zwischen fest-flüssig-gasförmig und beinhaltet Effekte wie Oberflächenspannung und Wärmetransport. „Ein detaillierter Einblick in alle gleichzeitig auftretenden thermofluiddynamischen Phänomene ist eine wesentliche Voraussetzung für ein besseres Verständnis des Gesamtprozesses und der resultierenden Materialeigenschaften“, fügt Dr. Stefan Adami hinzu.

Unternehmen

TUM erforscht digitale Fertigungstechnologie der Zukunft

Wie die Technische Universität München (TUM) mit der Handlungsagenda TUM.Additive einen umfassenden Forschungsschwerpunkt zur Additiven Fertigung initiiert.

Forschung

Innovatives Stahlpulver für den 3D-Metalldruck

An der TU Graz wurde ein Stahlpulver für die additive Fertigung entwickelt, das die Produktion komplexer Bauteile entscheidend vereinfachen soll.

Metall

Metallpulverpreise auf 10% reduzieren

Das Fraunhofer IFAM in Dresden hat ein neuartiges Pulver entwickelt, das dank der Herstellungsmethode um ein vielfaches günstiger zu produzieren ist.

3D-Metalldruck

Besser aus Draht? Additive Fertigung mit Schweißtechnik

An der Herstellung dreidimensionaler metallischer Bauteile sind zunehmend auch Lichtbogenschweißverfahren wie das SynchroFeed-System von OTC Daihen Europe beteiligt.