Materialqualifizierung

Abbildung: Laserstrahlschmelzprozess
Abbildung: Laserstrahlschmelzprozess

Ein großes Potenzial der Additiven Fertigung ist die Verwendung von Materialien, welche über konventionelle Verfahren wie beispielsweise Gießen oder Fräsen nicht verarbeitet werden können. Neben dem bereits kommerziell erhältlichen Werkstoffportfolio bieten wir die Möglichkeit, firmen- und anwendungsspezifische Materialien für die Additive Fertigung zu qualifizieren. Durch eine bereits vielfach angewandte Vorgehensweise werden neben den eigentlichen Prozessparametern auch die Einflüsse und die Qualität des Ausgangsmaterials, welches sich als einer der wichtigsten Einflussfaktoren herauskristallisiert hat, betrachtet. Für eine Vielzahl von Kunden – beispielsweise aus den Bereichen Luft- und Raumfahrt, Anlagen- und Werkzeugbau und Medizintechnik – wurden bereits unterschiedlichste Werkstoffe für die Additive Serienfertigung qualifiziert.

Implementierung

Abbildung: Vorgehen zur systematischen Analyse der Potenziale additiver Fertigungsverfahren
Abbildung: Vorgehen zur systematischen Analyse der Potenziale additiver Fertigungsverfahren

Zahlreiche erfolgreich umgesetzte Anwendungsfälle haben in den letzten Jahren eindrucksvoll das Potenzial der additiven Fertigungstechnologien aufgezeigt. Der Einstieg in diese Technologie stellt jedoch aufgrund der Vielfalt an Verfahren und Anwendungsmöglichkeiten eine große Herausforderung dar. Die folgenden zwei Fragen sollten sich Unternehmen stellen, bevor sie in die Additive Fertigung einsteigen. Zum einen: Welche Anwendung kann ich derzeit damit umsetzen und wie sieht die Entwicklung der Technik aus?
Zum anderen: Kann das Unternehmen mittelfristig die erforderlichen Kompetenzen zu additiven Produktionsverfahren aufbauen, um die Möglichkeiten langfristig nutzen zu können? Als Entscheidungsgrundlage und Perspektive empfiehlt sich eine methodische Analyse der Potenziale additiver Verfahren. Daher haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Institut für Gießerei-, Composite- und Verarbeitungstechnik IGCV in Augsburg einen Methodenbaukasten erstellt, der Sie bei der Bewertung und Implementierung additiver Technologien unterstützt (siehe Abbildung). Die Methoden basieren auf den Erfahrungen, die aus zahlreichen erfolgreich durchgeführten Industrietransferprojekten mit Unternehmen unterschiedlicher Branchen gewonnen wurden. Je nach Produktspektrum und Vorgehensweise können dabei die Methoden einzeln oder auch in Kombination eingesetzt werden. So kann der Methodenbaukasten einer umfassenden Studie dienen, oder auch spezifische Fragestellungen beantworten. Ziel ist eine individuelle Roadmap, die das Potenzial additiver Technologien für das Unternehmen aufzeigt und Szenarien enthält, die Potenziale umzusetzen. Sind Einsatzmöglichkeiten für additive Verfahren gefunden, für die ein lohnendes Geschäftsmodell umgesetzt werden kann, stehen zwei Handlungsfelder im Fokus. Die Auslegung der Prozesskette kann sowohl die Einführung Additiver Fertigungsverfahren in die eigene Produktion umfassen, wie auch die Qualifizierung von Zulieferern (make-or-buy). Neben dem Aufbau der Prozesskette sollten den Mitarbeitern auch die erforderlichen Kompetenzen zum Betrieb der Prozesskette vermittelt werden.
Dazu bietet sich besonders die Teilnahme an den Academy Schulungen Additive Fertigung an, die sowohl theoretische als auch praktische Kenntnisse im Bereich der Additiven Fertigung vermitteln.
Mit dem Methodenbaukasten zur Implementierung Additiver Verfahren stellt das AMLab ein strukturiertes und zugleich anpassungsfähiges Konzept zur Verfügung, das laufend weiterentwickelt wird. Bei Fragen rund um die Bewertung und Implementierung Additiver Verfahren stehen Ihnen die Wissenschaftler des AMLab als kooperativer und unabhängiger Technologiepartner gerne zur Verfügung.

Multimaterialverarbeitung

Abbildung: Laserstrahlgeschmolzenes Multimaterialbauteil – Angussstutzen aus CuCr1Zr und Werkzeugstahl 1.2709.

Die Additive Fertigung und insbesondere das Laserstrahlschmelzen findet im industriellen Umfeld immer weitere Einsatzbereiche. Ein Hauptfaktor für diese Entwicklung ist das immer größer werdende Prozessverständnis sowie die steigende Anzahl an Werkstoffen, die verarbeitet werden können. Das vorliegende Prozessverständnis beschränkt sich derzeit jedoch noch auf Monomaterialbauteile, das heißt Bauteile, welche aus einem Werkstoff bestehen. Auch ist die Herstellung Hybrider oder 2-D-Multimaterialbauteile, die sich durch einen Materialwechsel in Aufbaurichtung auszeichnen, bereits weit verbreitet. In einem am Fraunhofer IGCV entwickelten Prozess ist es nun möglich, auch Bauteile aus zwei unterschiedliche Werkstoffen zu fertigen, die eine beliebige Verteilung beider Materialien sowohl in Aufbaurichtung als auch in der Bauebene aufweisen. Aufgrund der beliebigen Materialverteilung in allen Raumachsen, werden diese Strukturen als 3-D-Multimaterialbauteile bezeichnet. Damit können Vorteile der Additiven Fertigung wie die belastungsgerechte Konstruktion oder Funktionsintegration weiter ausgebaut werden, indem man Werkstoffe mit den benötigten Eigenschaften (z. B. Duktilität, Wärmeleitfähigkeit, Härte) lokal einsetzt. So kann die Additive Fertigung für die Herstellung funktionsoptimierter Werkzeug- und Formeinsätze flexibilisiert werden, z. B. durch Werkzeugformen und -einsätze mit langzeitfester Beschichtung, die die Standzeiten erhöhen. In Forschungsprojekten werden hier des Weiteren die Kombination von metallischen Strukturbauteilen sowie elektrischen Komponenten und Trennverfahren für Pulverrecycling bei gemischten Pulvern untersucht. Durch die Erfahrung und die Spitzenstellung in der Erforschung der Multimaterialverarbeitung weist das AMLab Wissen über das Materialverhalten, auftretende Wechselwirkungen und weitere prozessbedingte Herausforderungen auf, die in neuen Forschungsprojekten eingebracht werden.

Fabrikplanung für die Additive Fertigung

Additive Verfahren ermöglichen die Fertigung von Bauteilen aus einem formlosen Pulverwerkstoff ohne geometriespezifische Werkzeuge. Die rasante Weiterentwicklung der Verfahren führt dazu, dass Industrieunternehmen sich zunehmend diese Technologie zunutze machen und inhouse additive Prozessketten aufbauen. Dadurch dass es sich bei dem Fertigungsprozess um einen Batch-Prozess handelt und ein erheblicher Anteil des Pulverwerkstoffs wiederverwendet werden soll, ergeben sich neue, komplexe Prozessketten sowohl für die Fertigteile als auch für den Ausgangswerkstoff.
Durch Methoden der Materialflusssimulation können die vielschichtigen Abläufe hinsichtlich unterschiedlicher Auftragsplanungen, vorhandener Kapazitäten (Fertigungsanlagen, Personal, Lager etc.) und bauteilspezifischer Anforderungen geplant, ausgelegt und validiert werden. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf dem Pulverkreislauf, der hinsichtlich diverser Aufbereitungsstrategien und Qualitätsanforderungen detailliert abgebildet werden muss. 
In einem ersten Schritt erfolgt die Aufnahme der Daten vor Ort im Industrieunternehmen. Neben den Maschinendaten und dem Layout sind auch die Produktionsstrategie sowie die gewichteten Optimierungskriterien zu erfassen. Anschließend wird ein Simulationsmodell aufgebaut und durch den Abgleich mit der Realität verifiziert. Ausgehend von diesem Stand können dann mögliche Veränderungen simuliert und bewertet werden. Anhand der prognostizierten Durchlaufzeiten, der Lagerbelegungen und der Anlagenauslastung sowie anhand weiterer Faktoren kann die zukünftige Prozesskette konzipiert werden.

Simulation

Der Begriff Simulation beschreibt die „Nachbildung eines Systems mit seinen dynamischen Prozessen in einem experimentierfähigen Modell, um zu Erkenntnissen zu gelangen, die auf die Wirklichkeit übertragbar sind” (VDI-Richtlinie 3633). Anwendungen finden Simulationen bei Systemen, deren Komplexität Vorhersagen über das Verhalten nur bedingt möglich machen. Weitere Gründe für die Überführung in ein abstrahiertes Ersatzmodel sind Kosten- und Sicherheitsaspekte. Am iwb wurden Modelle in verschiedenen Bereichen der Additiven Fertigung entwickelt, verifiziert und validiert. Hinausgehend über die bloße Vorhersage des Systemverhaltens sind die erarbeiteten Simulationen im Stande zur Prozessverbesserung und Fertigungsprozessentwicklung beizutragen.

  • Prozesssimulation Laserstrahlschmelzen

Es erfolgt eine partikelbasierte Berechnung von Schmelzbadgeometrie und -dynamik sowie resultierenden lokalen Temperaturfeldern unter Verwendung selbstkonsistenter Wärmequellen. Die Ergebnisse werden in der Fertigung zur verbesserten Prozessauslegung von filigranen bzw. dünnwandigen Bauteilbereichen sowie gradierten Materialübergängen genutzt. Des Weiteren lassen sich damit im Sinne einer Multiskalen-Simulation Wärmequellenmodell für die Struktursimulation kalibrieren und in Folge deren Genauigkeit erhöhen.

  • Struktursimulation Laserstrahlschmelzen

Eigenspannungen und Verformungen auf Bauteilebene, bedingt durch die entstehenden Temperaturgradienten beim Aufschmelzen, werden in einer thermomechanischen Simulation berechnet. Darüber hinaus werden die berechneten Informationen vom Programm genutzt um dem Anwender ein verzugsoptimiertes Bauteil zu generieren. Damit leistet das entwickelte Simulationsprogramm, neben der Erhöhung des Prozessverständnisses, einen bisher einmaligen Beitrag zur Fertigungsprozessentwicklung sowie zur Unterstützung der Prozessauslegung und Vermeidung von Testfertigungen.

Durch den vermehrten Einsatz in der Serienfertigung steigen die Anforderungen an Form-, Lage und Maßtoleranzen. Die Verzugskompensation ist ein mögliches Verfahren zur Minimierung der Auswirkungen der verfahrensimmanenten Verzugserscheinungen zur Steigerung der Produktqualität. Dadurch soll das mögliche Einsatzspektrum der Additiven Fertigungsverfahren erweitert und die Produktivität der Prozesse durch eine Verminderung von Ausschuss sowie einer maximalen Nutzung des Bauraumes gesteigert werden.

Die Ursache des Verzugs ist abhängig von dem jeweils gewählten Verfahren. Während beim Lasersintern thermische Prozesse im Vordergrund stehen, sind beim pulverbettbasierten 3-D-Druck mit Binder vor allem chemische Prozesse wie beispielsweise Polymerisationsvorgänge für ungewollte Verformungen verantwortlich.

Der gewählte Ansatz setzt auf die Kompensation der durch Verzug hervorgerufenen Deformationen bereits vor dem Bauprozess. Dabei wird mit einem Softwaretool die digitale 3D-Geometrie des Bauteils derart vor deformiert, dass sich die entstehenden Verformungen sowie der im Fertigungsprozess entstehende Verzug gegenseitig ausgleichen.

Qualitätssicherung

Qualitätssicherung durch Prozessüberwachung
Um die Qualität der produzieren Bauteile sicherzustellen, werden am AMLab sowohl Prozessüberwachung als auch Pulveranalysen durchgeführt und weiterentwickelt. Die Prozessüberwachung dient der Überprüfung definierter Prozessparameter. In einem idealen Prozess entstehen bei bekannten Eingangsparametern die gewünschten Ausgangsparameter. Erst durch äußere Einflüsse/ Störgrößen wird der Prozess beeinflusst und unerwünschte Abweichungen der Ausgangswerte können entstehen. In vielen Prozessen können diese Abweichungen einen nicht tolerierbaren Einfluss auf nachfolgende Prozessschritte oder die Bauteileigenschaften haben. Häufig wird zur Sicherheit und Fehlerdetektion eine Qualitätsprüfung nachgeschaltet, wodurch zusätzliche Zeit benötigt und die Kosten erhöht werden.
Das Ziel einer Überwachung parallel zum Fertigungsprozess ist es, nachgeschaltete Qualitätskontrollen soweit wie möglich zu ersetzen und im Falle einer im Prozess detektierten Abweichung einzugreifen und, falls durchführbar, den Prozess aktiv zu regeln.
Die Additive Fertigung ist eine relativ junge Fertigungstechnologie und die Prozesse unterliegen vielen unterschiedlichen Einflüssen, deren Auswirkungen auf die Bauteilqualität noch nicht vollständig bekannt sind.
Das AMLab beschäftigt sich seit seiner Gründung mit der Additiven Fertigung und hat über die Jahre ein hohes Prozessverständnis aufgebaut. Um das anfänglich implizite Erfahrungswissen besser erfassen und dokumentieren zu können, spezialisierte sich das AMLab schon früh auf den Bereich der Prozessüberwachung, um so die stetig gewonnenen Erkenntnisse durch Messungen erfassen und belegen zu können.
Die seit vielen Jahren praktizierte Prozessüberwachung kommt in zahlreichen Forschungs- und Industrieprojekten zum Einsatz.

Qualitätssicherung durch Pulveranalyse

Pulveranalytik und Qualitätssicherung entlang der Prozesskette; Pulverbett nach dem LBM Prozess

Pulver stellen den Ausgangswerkstoff für viele Additive Fertigungsverfahren dar und bildet einen weiteren wichtigen Einflussfaktor auf die resultierende Bauteilqualität. Vor dem Ziel einer gleichbleibend hohen Güte der entstehenden Bauteile gilt es, positive sowie negative Einflüsse auf den Zustand des Pulvers zu verstehen, zu kontrollieren und gegebenenfalls zu steuern. Dies kann durch die Implementierung einer geeigneten Pulverprozesskette in Kombination mit gezielt eingesetzter Pulveranalyse erreicht werden. Im AMLab wird dem Themenbereich Pulver eine besondere Aufmerksamkeit gewidmet. In einem separaten Pulveranalyselabor können charakteristische Eigenschaften wie beispielsweise Partikelgrößenverteilung, Partikelform, chemische Zusammensetzung, Oxidation und Fließfähigkeit gemessen werden. Als Dienstleistung bieten wir für unsere Partner die Möglichkeit an, ihre spezifischen Pulvereigenschaften mit unserem modernen Messequipment zu bestimmen. Weiterhin können wir Unterstützung beim Aufbau eines eigenen Pulveranalyselabors leisten.

Durch die Additive Fertigung ergeben sich neue Möglichkeiten im Design und in der Auslegung von Bauteilen. Dabei können verschiedene Designstrategien verfolgt werden, die auch am AMLab Anwendung finden. Wir unterstützen unsere Partner dabei, die Möglichkeiten der Additiven Fertigung auf Ihre Produkte anzuwenden und fortschrittliche Designansätze an Kundenbauteilen (oder vormaligen -baugruppen) umzusetzen.

Mittels gängiger Fertigungstechnologien sind optimale Leichtbaukonstruktionen aufgrund verfahrensspezifischer Randbedingungen schwer umsetzbar. Abhilfe können hier die additiven Fertigungsverfahren, wie das Laserstrahlschmelzen, schaffen. Der schichtweise generierende Prozessablauf ermöglicht die Fertigung äußerst diffiziler Bauteile in kleinen Stückzahlen bei hoher Wirtschaftlichkeit. Auch aufgrund geringer geometrischer Einschränkungen bietet die additive Fertigung das Potenzial, Leichtbauansätze beinahe uneingeschränkt umzusetzen und in ihrem vollen Potenzial auszuschöpfen. Zur Umsetzung bionischer Leichtbaustrukturen sind additive Fertigungsverfahren besonders geeignet. Komplexe bionische Strukturen lassen sich dabei nur dadurch wirtschaftlich herstellen. Der durch Pflanzen und Tiere über viele Millionen Jahre optimierte Aufbau kann heute als Inspiration für technische Fragestellungen gesehen werden. Durch die entwickelten Optimierungsverfahren und die Verwendung der additiven Fertigung wird es möglich, Bauteile zu designen und herzustellen, welche der allgemeinen bionischen Regel einer lageoptimalen Bauteilkonstruktion folgen. In einem Gespräch mit uns können wir Ihnen Möglichkeiten einer Umsetzung der Erkenntnisse auch für Ihre Konstruktion eröffnen.

Prüfung

Um neue Materialien, Pulver, Verfahren oder Parameter sowie deren Effekte auf die entstandenen Probekörper zu prüfen, kann das AMLab auf ein umfassendes Repertoire an Messgeräten für die Metallographie, mechanische Prüfungen, 3-D-Digitalisierung und Pulveranalysen zurückgreifen, vgl. Ausstattung.

Abbildung: Mittels Gasverdüsung hergestelltes Metallpulver, REM-Aufnahme

Digitale Bauteilauslegung und DesignSchulung und Seminare




Abbildung: Leichtbau-Ritzel und Welle in Integralbauweise

Durch die Additive Fertigung ergeben sich neue Möglichkeiten im Design und in der Auslegung von Bauteilen. Dabei können verschiedene Designstrategien verfolgt werden, die auch am AMLab Anwendung finden. Wir unterstützen unsere Partner dabei, die Möglichkeiten der Additiven Fertigung auf Ihre Produkte anzuwenden und fortschrittliche Designansätze an Kundenbauteilen (oder vormaligen -baugruppen) umzusetzen. Mittels gängiger Fertigungstechnologien sind optimale Leichtbaukonstruktionen aufgrund verfahrensspezifischer Randbedingungen schwer umsetzbar. Abhilfe können hier die additiven Fertigungsverfahren, wie das Laserstrahlschmelzen, schaffen. Der schichtweise generierende Prozessablauf ermöglicht die Fertigung äußerst diffiziler Bauteile in kleinen Stückzahlen bei hoher Wirtschaftlichkeit. Auch aufgrund geringer geometrischer Einschränkungen bietet die additive Fertigung das Potenzial, Leichtbauansätze beinahe uneingeschränkt umzusetzen und in ihrem vollen Potenzial auszuschöpfen. Zur Umsetzung bionischer Leichtbaustrukturen sind additive Fertigungsverfahren besonders geeignet. Komplexe bionische Strukturen lassen sich dabei nur dadurch wirtschaftlich herstellen. Der durch Pflanzen und Tiere über viele Millionen Jahre optimierte Aufbau kann heute als Inspiration für technische Fragestellungen gesehen werden. Durch die entwickelten Optimierungsverfahren und die Verwendung der additiven Fertigung wird es möglich, Bauteile zu designen und herzustellen, welche der allgemeinen bionischen Regel einer lageoptimalen Bauteilkonstruktion folgen. In einem Gespräch mit uns können wir Ihnen Möglichkeiten einer Umsetzung der Erkenntnisse auch für Ihre Konstruktion eröffnen. Eine weitere Strategie ist die Funktionsintegration, bei der die Additive Fertigung bisher ungekannte Möglichkeiten bietet. Hierbei können Schmierstoffzufuhr, eine innenliegende konturnahe Kühlung und eine verbesserte Funktionalität durch optimiertes Design eingesetzt werden, um z. B. Masse einzusparen und Kosten zu reduzieren. Dies kann mit der Integralbauweise, also dem Zusammenführen von zwei oder mehr Bauteilen in ein integrierendes und der dabei erreichten Reduktion des Montageaufwandes, kombiniert werden. Ein jüngstes Beispiel hierfür ist das Design des Leichtbauritzels in Integralbauweise und mit integrierten Kühlkanälen durch Herr Katrodiya, der dafür die „Design for Additive Manufacturing Challenge 2018“ in Eindhoven (Niederlande) gewann. Dabei konnte die Bauteilmasse um die Hälfte reduziert werden.

Schulungen und Seminare

AM Workshops, Kurse und Schulungen für Interessierte

Durch die Additive Fertigung ergeben sich neue Möglichkeiten hinsichtlich Design und Herstellung von Produkten. Um dadurch Innovationen im Unternehmen vorantreiben zu können, müssen die neuen Gestaltungsmöglichkeiten bei den eigenen Produkten angewendet und umgesetzt werden. Hierfür sind Mitarbeiter notwendig, die ein umfassendes Wissen zu den additiven Fertigungstechnologien aufweisen. Deshalb bietet das AMLab Workshops, Kurse und Schulungen für Interessierte, die die neue Technologie näher kennenlernen und im Unternehmen einbringen wollen. Zur Auswahl stehen dabei zwei durch die Fraunhofer Academy angebotene Seminare. Grundlagen der additiven Fertigung vermittelt einen kompakten Überblick über die bestehenden additiven Technologien im Kunststoff- und Metallbereich anhand gültiger Normen und Richtlinien. Neben Aspekten der additiv-gerechten Gestaltung von Produkten, werden auch Kompetenzen vermittelt, um das Potenzial der additiven Technologien im eigenen Unternehmen zu erkennen, zu bewerten und zu nutzen. Das Vertiefungsseminar Laserstrahlschmelzen vermittelt detailliertes Prozesswissen. Im Fokus steht die gemeinsame Durchführung der Optimierung von LBM-Fertigungsparametern. Neben den physikalischen Grundlagen zum Prozess werden auch der Aufbau einer LBM-Anlage und verfügbare Werkstoffe behandelt. Ebenfalls werden mögliche Fehlerquellen für den Prozess sowie deren Einfluss auf die Qualität besprochen. Beim Lehrgang zum Fachingenieur Additive Fertigung VDI wird auf die Implementierung additiver Fertigungsverfahren im Unternehmen eingegangen. Das AMLab bietet Ihnen gerne auf Ihr Unternehmen zugeschnittene Angebote zur Weiterbildung von Mitarbeitern, in denen die eigenen Produkte direkt miteinbezogen und auf Potenzial überprüft werden.

Des Weiteren bietet das AMLab, Süddeutschlands größtes Forschungslabor für die additive Fertigung, seit 1996 mit dem Augsburger Seminar für additive Fertigung eine Austauschplattform für Anwender, interessierte Firmen und Experten. Es finden Vortragssessions mit hochkarätigen Referenten und interaktiven Podiumsdiskussionen statt.