Fraunhofer-Institut für Gießerei-, Composite- und Verarbeitungstechnik IGCV
Fraunhofer-Institut für Gießerei-, Composite- und Verarbeitungstechnik IGCV

Additive Fertigung | Additive Manufacturing (AM)

Was ist Additive Fertigung?

Additive Fertigung (engl.: additive manufacturing, AM) – weitgehend auch als 3D-Druck bezeichnet – ist ein aufstrebendes und innovatives Fertigungsverfahren, das sich grundlegend von konventionellen Herstellungsprozessen unterscheidet und der Forschung und Industrie zu völlig neuen Möglichkeiten verhilft. Bauteile werden Schicht für Schicht aufgebaut und entstehen nicht wie bei herkömmlichen Verfahren durch Abtrag von Material (zum Beispiel durch fräsende Bearbeitung). Dadurch ergibt sich eine enorme Flexibilität und Designfreiheit beispielsweise bei der Herstellung von Prototypen und auch zunehmend in der Serienfertigung.     

Additive Fertigung am Fraunhofer IGCV

Die additive Fertigung stellt eine starke Querschnittskompetenz des Fraunhofer IGCV dar. Derzeit forschen etwa 30 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an additiven Fertigungsverfahren. Durch die wissenschaftsbereichsübergreifende Ausrichtung der additiven Fertigung haben sich drei Arbeitsschwerpunkte herauskristallisiert:

Kontakt am Fraunhofer IGCV: Dr.-Ing. Georg Schlick

 

Fraunhofer IGCVirtuell

Bei einem virtuellen Rundgang können Sie sich unsere Forschungsarbeiten im Bereich der additiven Fertigung genauer anschauen!

Additive Fertigung und Multimateriallösungen Tour

Video: additive manufacturing experts

Additive Fertigungsverfahren für die Industrie

Die Prozesstechniken der additiven Fertigungsverfahren entlang deren Prozessketten stehen im Fokus der Forschungsarbeit. Darüber hinaus werden Methoden zur Produktentwicklung additiv gefertigter Bauteile erarbeitet, die speziell auf sensorintegrierte Multimaterialbauteile ausgerichtet sind. Für eine industrielle Umsetzung in der Produktion erforscht das Fraunhofer IGCV passende Methoden der Fabrikplanung.

Dazu verfügen wir über international wahrgenommenes Know-how in folgenden Prozessen:

Laser-Strahlschmelzen (auch zur Herstellung von Multimaterialbauteilen)  

Neben der Anwendung im Prototypen- und Werkzeugbau werden additive Fertigungsverfahren heute auch vermehrt in der Serienproduktion eingesetzt. Zur Serien-Herstellung metallischer Bauteile eignet sich vor allem das pulverbettbasierte Laser-Strahlschmelzen.

Hierbei wird das Bauteil durch lokales Aufschmelzen des Metallpulvers durch einen Laserstrahl und das anschließende Erstarren des Werkstoffs schichtweise aufgebaut. Vorteile der Technologie sind unter anderem die Möglichkeit, Bauteile direkt aus dem CAD-Modell zu erzeugen, die nahezu uneingeschränkte Formgebungsfreiheit sowie die hohe Ressourceneffizienz, da nicht aufgeschmolzenes Pulver für nachfolgende Fertigungsvorgänge wiederverwendet werden kann.

Aus den verfahrensbedingt auftretenden Temperaturgradienten resultieren jedoch Verformungen und Eigenspannungen, die sich auf die Prozessstabilität sowie die Bauteilqualität negativ auswirken können.
Diese Besonderheit des Laser-Strahlschmelzens muss bereits in der Bauteilauslegung bzw. in der Fertigungsvorbereitung berücksichtigt werden. Beispiele hierfür sind der Treppenstufeneffekt, der Optik und Performance des Bauteils beeinflusst, und die verfahrensbedingte Notwendigkeit, Stützen bzw. Supportstrukturen mit dem Bauteil gemeinsam aufzubauen.

Binder Jetting

Im Binder Jetting Verfahren wird Pulverwerkstoff schichtweise durch lokales, präzises Einbringen eines Binderwerkstoffes über Druckköpfe mit mehreren 10.000 Öffnungen verfestigt.

Am Fraunhofer IGCV wird Binder Jetting unter anderem für die Herstellung von Formen und Kernen für die Gießereitechnik untersucht (z. B. im Projekt ConMon3D). Der Fokus liegt dabei auf der Verarbeitung von gießereirelevanten Werkstoffen, wie beispielsweise Formsanden. Wir erforschen unterschiedliche Kombinationen aus Formsanden und Binderwerkstoffen, die sich besonders wirtschaftlich und technologisch günstig in Gießverfahren verhalten. Dies kann die konventionellen Fertigungstechnik ergänzen und so kooperativ als Befähiger verbesserter (verkürzter) Prozessketten in der Gießerei fungieren.

Aber nicht nur im Bereich sandbasierter additiver Fertigung spielt das Binder Jetting am Fraunhofer IGCV eine Rolle. Auch Stähle und Hartmetalle werden  mittels Metal Binder Jetting gefertigt. Als sinterbasierte AM-Technologie ist das Binder Jetting besonders für die Herstellung kleiner Bauteile in größerer Stückzahl geeignet. Zudem lassen sich aufgrund des Sinterprozesses Materialien verarbeiten, die durch schmelz- oder schweißbasierte Verfahren nicht verarbeitbar sind.

Extrusion faserverstärkter Polymere

In der additiven Fertigung (3D-Druck) wird die Extrusionstechnologie verwendet, um Objekte schichtweise aufzubauen. Dies kann auch mit faserverstärkten Polymeren erfolgen, um die mechanischen Eigenschaften des Endprodukts zu verbessern. Die Extrusion faserverstärkter Polymere ist ein zentraler Bestandteil der additiven Fertigung, insbesondere beim 3D-Druck von Bauteilen mit verbesserten mechanischen Eigenschaften. Durch das Einbringen von Fasern in das Polymer wird die Festigkeit und Steifigkeit des gedruckten Teils gesteigert, was es für anspruchsvolle Anwendungen in verschiedenen Industrien geeignet macht. Mehr Info: Extrusion faserverstärkter Polymere

Liquid Deposition Modeling

Beim Liquid Deposition Modeling (LDM) wird Metallpulver mittels eines Lasers direkt auf eine Oberfläche aufgeschmolzen. Dadurch entstehen Schichten, die präzise aufeinander aufbauen, was für die Herstellung komplexer Metallteile genutzt wird. Das Fraunhofer IGCV arbeitet daran, LDM für die industrielle Fertigung weiterzuentwickeln. Ziel ist es, LDM-Prozesse hinsichtlich Geschwindigkeit, Präzision und Materialeffizienz zu optimieren. Zudem erforscht das Fraunhofer IGCV, wie sich durch LDM hybride Bauteile mit unterschiedlichen Materialeigenschaften herstellen lassen, um z. B. kosteneffizientere und langlebigere Bauteile für Maschinenbau und Luftfahrt zu ermöglichen. Mehr Info: Liquid Deposition Modeling

Hochdruck-Kaltgasspritzen

Wir entwickeln das Hochdruck-Kaltgasspritzverfahren weiter, um es als Additive Fertigungstechnologie insbesondere für Multimaterialbauteile einzusetzen. Es ermöglicht hohe Materialaufbauraten von bis zu 10 kg/h und kann verschiedene Materialkombinationen ohne intermetallische Phasenbildung verarbeiten. Das Kaltgasspritzsystem des Fraunhofer IGCV besteht aus einer Kaltgaszelle mit zwei 6-Achs-Robotern und einem Dreh-Schwenktisch. Eine Plasma Giken-Gun wird für den Materialauftrag verwendet. Das System kann derzeit Stähle, Kupferlegierungen und Hochleistungsstähle verarbeiten. Das Kaltgasspritz-Fertigungslabor bietet individuelle Analysen und Unterstützung bei der Evaluierung geeigneter Anwendungsfälle. In den Projekten FASTMULT, Coldspraymult und ACCURACY erarbeiten wir Grundlagen für diese Weiterentwicklung.

Liquid Metal Printing

Eines der jüngsten Weiterentwicklungen des Fraunhofer IGCV ist das Liquid Metal Printing (LMP) Verfahren. Die Grundlagen werden zusammen mit der Firma Grob im Projekt AluWire LMP erarbeitet.

Das Rohmaterial beim LMP Verfahren bildet ein Aluminiumdraht. Dann wird eine Schmelze in einem kleinen Tiegel erzeugt und flüssige Tröpfchen werden abgelegt, um das Bauteil zu erzeugen. Das LMP Verfahren ermöglicht eine kostengünstige und zeiteffiziente Verarbeitung von Aluminiumlegierungen im Vergleich zu anderen additiven Fertigungsverfahren.

Die Zukunft der additiven Fertigung

Die additive Fertigung zählt zu den starken Wachstumsfeldern innerhalb der Produktion. Führende Marktberichte sagen ein durchschnittliches jährliches Wachstum von ca. 20 Prozent für die nächsten fünf Jahre voraus. Das Fraunhofer IGCV geht dabei davon aus, dass dieses Branchenwachstum der additiven Fertigung nicht nur in einem spezifischen Industriezweig zu beobachten sein wird. Vielmehr ist davon auszugehen, dass in allen Industriezweigen der Einsatz additiver Fertigungsverfahren zunehmen wird. Im Jahr 2022 wurden zur Zukunft der additiven Fertigung zwei Studien (An Additive Manufacturing Breakthrough & The Futures of Metal Additive Manufacturing 2030)   veröffentlicht, bei denen das Fraunhofer IGCV Zuarbeiten geleistet hat. 

Wissenstransfer und Branchenentwicklung

Die additive Fertigung ist für das Fraunhofer IGCV mehr als nur ein Forschungsfeld – es ist eine Leidenschaft und ein Herzensanliegen. Aus diesem Grund übernehmen wir neben dem projektbasierten Wissenstransfer auch Verantwortung für die Branchenentwicklung, indem wir:

  • unser Wissen auf den größten Branchenevents in Deutschland und der Welt teilen (bspw. Fraunhofer-DDMC-Konferenz in Berlin, AM-Forum in Berlin, Munich Technology Conference in München, AMUG (Additive Manufacturing User Group) in Chicago, SFF in Texas, USA).
  • bei zahlreichen Konferenzen im Fachbeirat oder Scientific Committee mitwirken (bspw. Rapid Tech in Erfurt, ICAM in Orlando/virtuell, USA).
  • seit 2019 bis 2023 den Chairman des ISO-Komitee 261 »Additive Manufacturing« stellten.
  • seit 2020 ein Mitglied des Executive Committees des Ausschusses ASTM F42 »Additive Manufacturing« stellen.
  • seit 2014 aktiv in Gremien des Vereins Deutscher Ingenieure (VDI) mitwirken und von 2016 bis 2022 die Leitung des VDI FA 105.6 »Sicherheit beim Betrieb additiver Fertigungsanlagen« innehatten.
  • seit 2019 in der EuroAM Steering Group der European Powder Metallurgy Association (EPMA) mitwirken.
  • seit 2014 aktiv in Gremien des Deutschen Instituts für Normung (DIN) wirksam sind.
  • seit 2016 im Editorial Board des Springer-Fachjournals »Progress in Additive Manufacturing« mitwirken.

Das Fraunhofer IGCV in der Themenallianz »Additive Fertigung«

Die Additive Fertigung stellt nicht nur am Fraunhofer IGCV eine Querschnitts- und Kernkompetenz dar, sondern wird auch bei 20 weiteren Fraunhofer-Instituten intensiv erforscht. Diese Institute haben sich in der Themenallianz »Additive Fertigung« zusammengeschlossen, in deren Rahmen sich die InstitutsvertreterInnen zu Forschungsergebnissen innerhalb der Fraunhofer-Gesellschaft und weiteren Forschungsbedarfen austauschen. Das Fraunhofer IGCV bringt sich aktiv in diese Themenallianz ein und leistet damit einen Beitrag zum Fortschritt der Fraunhofer-Gesellschaft im Bereich Additive Fertigung.

Anlagen - Metallsysteme

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EOS M290 (Laserstrahlschmelzanlage)

EOS M290

EOS M290
© Image courtesy of EOS
EOS M290

Technische Daten:

  • Laserleistung: 400 W
  • Fokusdurchmesser 100 µm
  • Bauraum 250 mm x 250 mm x 325 mm          
  • Schichtdicken ab 20 µm
  • Werkstoffe: Einsatzstähle (16MnCr5, 20MnCr5), Reinaluminium und AlSi10Mg, Nickelbasis-Legierungen (IN718), 316L (1.4404)

Hersteller: EOS Electro Optical Systems GmbH

AMLab-Standort: Augsburg

Die EOS M 290 wird zurzeit vor allem für die Verarbeitung verschiedener Stähle, z. B. Einsatz-, Werkzeug und Edelstähle, verwendet. Hierbei kommt die Leistungsfähigkeit des 400-Watt-Faserlasers zum Tragen, der im Bauvolumen von 250 x 250 x 325 mm3 eine wirtschaftliche Herstellung verschiedenster Bauteile ermöglicht.

Sandverarbeitende Systeme

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Voxeljet VX500 (3D-Drucksystem)

Voxeljet VX500 (3D-Drucksystem)

Voxeljet VX500
© Frederik von Saldern
Voxeljet VX500

Technische Daten:

  • Multijet-Druckkopf
  • Bauraumgröße 500 mm x 400 mm x 300 mm
  • Schichtstärke: 150 µm
  • Baufortschritt: 21 mm/h (= 4,24 l/h)

Hersteller: voxeljet AG

AMLab-Standort: Garching

Das 3D-Drucksystem VX500 von voxeljet fertigt schnell und wirtschaftlich Einzelformen und Kerne, wobei detailgenaue Kunststoffmodelle mit PMMA und hoher Oberflächenqualität möglich sind. Als Partikelmaterial kann Kunststoff oder Sand verwendet werden.

Werkstoffe

Stahl

  • 1.4404 (316L)
  • 1.2709
  • 1.4006
  • 1.4546
  • X15TN
  • 16MnCr5
  • 20MnCr5
  • 17CrNi6
  • 42CrMo4

 

Nickel:

  • Inconel 718
  • Inconel 625
  • Inconel X750
  • Inconel X750 + TiC
  • Ni80Cr20
  • Ni90Cr10
  • Ni95Cr5

Aluminium:

  • AlSi10Mg
  • AlSi7Mg
  • AlCr5Ti1Mn1Zr0,5
  • Alumel
  • Pure Al (Al99,9)

Wolfram:

  • W
  • W + K
  • W + Ta

Kupfer:

  • Cu (OFHC, CP)
  • CuCr1Zr
  • CuNiCrSi
  • CuSn10

Weitere Materialien

Tantal:
  • Ta

Gold:

  • 18 kt

Titan:

  • Ti6Al4V

Kobalt:

  • CoCr28Mo6
  • WC-Co (12 %, 19 % Co)

Andere:

  • ZrO+ Al2O3
  • Kalk-Natron-Glas

Referenzprojekte Additive Fertigung

Hier finden Sie eine Auswahl an Referenzprojekten des Fraunhofer IGCV zur Additiven Fertigung. Mehr Projekte, zu weiteren Themen, finden Sie hier.

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Weitere Projekte

Hier finden Sie einen Überblick zu verschiedenen Referenzprojekten am Fraunhofer IGCV.

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