Additive Fertigung

Das Fraunhofer-Zentrum HTL entwickelt und fertigt Bauteile aus Keramik, Metall und Metall-Keramik-Kompositen über 3D-Druck-Verfahren. Standardmaterialien sind Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid sowie Siliziumcarbid und Stahl. Das Technologiefeld Additive Fertigung umfasst die Entwicklung neuer Materialsysteme, Fertigungsverfahren und -anlagen, die Herstellung von Prototypen und Kleinserien sowie das Qualitätsmanagement von additiv gefertigten Bauteilen.

Die Entwicklung neuer Materialsysteme beinhaltet die Formulierung und Synthese von Feedstocks für den 3D-Druck. Ziel ist, die Verarbeitungseigenschaften der Feedstocks für das eingesetzte 3D-Druckverfahren so anzupassen, dass Bauteile mit hoher Qualität gefertigt und gleichzeitig die vom Kunden gewünschten Werkstoffeigenschaften erreicht werden. Beispiele dafür sind die Einstellung der Rieselfähigkeit von Pulverversätzen oder die Anpassung der Verarbeitungseigenschaften von Schlickern für die Additive Fertigung.

Qualitätsmanagement

Das Qualitätsmanagement bei der Additiven Fertigung ist von entscheidender Bedeutung für den späteren Einsatz der Verfahren in der industriellen Produktion. Das Fraunhofer-Zentrum HTL entwickelt dafür Verfahren zur In-situ-Kontrolle der einzelnen Prozessschritte während des 3D-Drucks. Ein Schwerpunkt beim Qualitätsmanagement ist das Erzielen homogener und defektfreier Gefüge im Grünkörper. Das HTL verfügt über leistungsfähige Verfahren zur Bewertung der Grünkörperhomogenität. Auch die Verfahren zur Kontrolle und Optimierung der an den 3D-Druck anschließenden Wärmebehandlungsprozesse sind bereits vorhanden. In diesem Zusammenhang entwickelt das Fraunhofer-Zentrum HTL Apps zur Simulation der Wärmeprozesse.

 

Fertigung von Prototypen und Kleinserien

Das Fraunhofer-Zentrum HTL fertigt Prototypen und Kleinserien im Kundenauftrag. Die Kundenanfragen werden dabei zunächst hinsichtlich der Machbarkeit geprüft. Auf Kundenwunsch wird die Konstruktion von Komponenten mit modernen Methoden zur Topologieoptimierung überarbeitet. Für den 3D-Druck der Bauteile stehen mit einem Stereolithographie-Drucker und einem Pulverbettdrucker zwei komplementäre additive Fertigungsverfahren zur Verfügung (Publikation: Additive Manufacturing of Ceramics). Darüber hinaus werden am HTL neue additive Fertigungsverfahren entwickelt, die eine hohe Materialqualität und zugleich höhere Produktivität versprechen.

Trennung von Formgebung und Wärmebehandlung

Bei den am HTL eingesetzten 3D-Druck-Verfahren für Keramiken, Metalle und Metall-Keramik-Kompositen wird die Wärmebehandlung bewusst vom Formgebungsprozess getrennt. Dies vermeidet einige bekannte Schwierigkeiten anderer Additiver Fertigungsverfahren, wie beispielsweise thermische Spannungen und Verzug beim Selective Laser Melting. Außerdem eröffnet dieses Vorgehen zusätzliche Möglichkeiten für die Materialsynthese. Die nach dem 3D-Druck-Prozess offenporigen Preformen können zum Beispiel anschließend mit Schmelzen infiltriert werden. Darüber hinaus erlaubt die Trennung von Formgebung und Wärmebehandlung eine kostengünstige Parallelisierung der zeitaufwändigen Wärmebehandlung. Die Wärmebehandlungsverfahren können in unterschiedlichen Ofenatmosphären durchgeführt und mittels der am HTL verfügbaren ThermoOptischen Messanlagen (TOM) optimiert werden (vgl. Wärmeprozesse). Nach der Wärmebehandlung erfolgt bei Bedarf die Endbearbeitung von Funktionsflächen mittels eines 5-Achs-Bearbeitungszentrums. Außerdem können die 3D-gedruckten Bauteile mittels spezieller Fügeverfahren in größere Systeme integriert werden.

Leistungsangebot:

  • Bauteilentwicklung nach Kundenanforderungen
  • FE-basierte Auslegung und CAD-Konstruktion von Bauteilen
  • Entwicklung neuer keramischer, metallischer und hybrider Materialsysteme für die Additive Fertigung
  • Formulierung, Charakterisierung und Optimierung von Feedstocks für den 3D-Druck
  • Qualitätsmanagement in additiven Fertigungsprozessen
  • Fertigung von Prototypen und Kleinserien aus Keramiken, Metallen oder Metall-Keramik-Kompositen mittels 3D-Druck
  • Entbinderung und Sinterung von 3D-Druck-Bauteilen
  • Schmelzinfiltration von porösen, additiv gefertigten Preformen
  • Bauteilcharakterisierung (Dimensionsanalyse, Gefügeanalyse, mechanische und zerstörungsfreie Prüfung)
  • Optimierung der Wärmebehandlungsprozesse und Entwicklung von Apps zur Simulation
  • Entwicklung und Bau von 3D-Druckanlagen und Anlagenkomponenten

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Binder-Jetting-Verfahren

Am Fraunhofer-Zentrum HTL werden Bauteile aus Metall, Keramik oder Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen mit einem M-Flex-Pulverdrucker der Firma ExOne additiv im Pulverbett-Verfahren gefertigt. Bei dem „Binder Jetting“ genannten 3D-Druckverfahren werden die Bauteile schichtweise durch das gezielte Aufdrucken eines flüssigen organischen Binders auf ein Pulverbett generiert.

 

Stereolithographie-Verfahren

Das Fraunhofer-Zentrum HTL entwickelt und fertigt Prototypen und Kleinserien aus technischer Keramik über 3D-Druck mit einem CeraFab 7500 der Firma Lithoz GmbH. Dieses Gerät erzeugt das keramische Bauteil schichtweise mittels Stereolithographie, auch LCM-Verfahren (Layerwise Ceramic Manufacturing) genannt.

 

Qualitätsmanagement in der Additiven Fertigung

Ein essentieller Aspekt, um die Additive Fertigung in der industriellen Produktion zu etablieren, ist eine hohe und reproduzierbare Qualität der gedruckten Bauteile sicherzustellen.  

 

Neue Verfahren in der Additiven Fertigung

Am Fraunhofer-Zentrum HTL werden neue Verfahren zur Additiven Fertigung entwickelt und bestehende Verfahren verbessert. Ziel dieser Entwicklungen ist, den Stand der Technik zu erweitern und anschließend die Verfahren für die industrielle Bauteilfertigung zu qualifizieren.