Kostengünstige Produktion von Hochtemperaturkomponenten mittels 3D-Druck

Aufbau eines sächsischen Netzwerks.

Die Entwicklung einer durchgehenden Prozesskette für die sinter-additive Fertigung von Nickelbasislegierungen steht im Mittelpunkt des Projekts »Simsalabim«. Das Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM in Dresden gemeinsam mit der Hochschule für Technik und Wirtschaft (HTW) Dresden und dem Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS adressieren alle Schritte von der Auslegung über die Sintersimulation bis hin zur Verifikation an Realteilen. Im Austausch mit Herstellern und Nutzern sollen von Anfang an industrielle Anforderungen und Anwendungsfälle die Entwicklungen leiten.

Kick-off-Treffen zum Projekt »Simsalabim« am 25.10.2024. (c) Fraunhofer IFAM Dresden

Bisher konzentriert sich die metallische additive Fertigung vorrangig auf laserbasierte Verfahren. Diese zeichnen sich zwar durch eine hohe technologische Reife aus, erfüllen aber nicht alle Herausforderungen in Bezug auf Werkstoffe, Geometrien und Produktivität. Deshalb wächst das Interesse der Industrie an sinterbasierten additiven Verfahren. Ihre Vorteile liegen etwa in der Möglichkeit zur Verarbeitung schwer schweißbarer Werkstoffe sowie der hohen Produktivität, der guten Oberflächengüte und einer kostengünstigen Produktion.

Sinterbasierte additiven Verfahren verarbeiten Metallpulver ohne komplettes Aufschmelzen. Das reduziert thermische Gradienten und die Ausbildung von Eigenspannungen sowie die Rissanfälligkeit und Bildung schädlicher Phasen.

Speziell für hochfeste Nickelbasissuperlegierungen bietet sich ein hohes Potenzial, da diese Legierungen nicht rissfrei durch laserbasierte Verfahren verarbeitet werden können. Diese Legierungen zeichnen sich besonders durch hohe Festigkeit und Korrosions-beständigkeit bei hohen Temperaturen aus, was sie zur ersten Wahl in Hochtemperaturanwendungen der Energie-, Transport- und Wasserstoffindustrie macht.

Der im Vergleich zu laserbasierten Verfahren geringere Reifegrad sinterbasierter additiver Verfahren ruft seitens der Industrie Vorbehalte hinsichtlich der erreichbaren Eigenschaften wie Endformnähe und Werkstoffgefüge hervor. Daher besteht der Bedarf, speziell Sinterschwindung komplexer Strukturen und die Einstellung der Werkstoffeigenschaften digital vorherzusagen.

Prozesskette vom Entwurf bis zum Realbauteil entwickeln

Innerhalb des Projekts soll eine durchgehende Prozesskette vom Bauteilentwurf über die Sintersimulation, die Einstellung der Werkstoffeigenschaften bis hin zum Realteil ausgelegt werden. Außerdem sollen neue Werkstoffe und Verfahren etabliert werden, um künftigen industriellen Partnern ein breiteres Lösungsspektrum anbieten zu können. Ziel ist es, am Ende des Projekts TRL 5 zu erreichen. Zusätzlich zielt die Entwicklung auf Ressourceneffizienz. Es wird angestrebt, zwei bis drei Entwicklungszyklen einzusparen und die Kalibrierung neuer Werkstoffe um Faktor Fünf zu beschleunigen. Zudem soll langfristig das Projekt als Keimzelle für ein regionales Netzwerk zu sinterbasierten additiven Verfahren dienen. Auf Basis der Ergebnisse dieses Projekts sollen zukünftig auch noch weitere Werkstoffklassen, wie beispielsweise Werkzeugstähle und Kobaltbasislegierungen untersucht werden.

Einladung zum Austausch im Netzwerk

Um von Anfang an die konkreten Anforderungen, Bedarfe und Anwendungsfälle der Industrie in die Entwicklungen einfließen zu lassen, sind Hersteller und Nutzer von Hochtemperaturwerkstoffen zu einem ersten Netzwerktreffen am 27. und 28. November 2024 eingeladen. Der Austausch soll zukünftig innerhalb dieses Netzwerkes fortgesetzt werden, um gemeinsam die kostengünstige Produktion von Komponenten mittels 3D-Druck voranzutreiben.

Mit den sächsischen Wissenschaftseinrichtungen Fraunhofer IFAM, Fraunhofer IWS und HTW Dresden stehen entwicklungsseitig drei Forschungspartner bereit, die über ausgeprägte Kompetenzen und fundierte Erfahrungen in Luftfahrt, Energietechnik, additiver Fertigung sowie Pulvermetallurgie verfügen.

Über die Partner

Das Fraunhofer IFAM Dresden hat 30 Jahre Erfahrung in der Entwicklung pulvermetallurgischer Werkstoffe und hat seine Kompetenz auf fünf verschiedene sinterbasierte additive Fertigungsverfahren ausgeweitet, die alle im Innovation Center Additive Manufacturing ICAM konzentriert sind. Der Fokus der Prozessentwicklung liegt auf der Optimierung von Wärmebehandlungen.

Die Mitarbeiter des Lehrstuhls Werkstofftechnik an der HTW Dresden besitzen umfassende Expertisen im Bereich der Hochtemperaturwerkstoffe, der thermodynamischen und kinetischen Simulation und der mechanischen Werkstoffprüfung. Im Projektfokus stehen dabei metallographische Werkstoffuntersuchungen von gesinterten Nickelbasissuperlegierungen und die Simulation der Gefügebestandteile. Das Ziel ist die Entwicklung eines Modells zur Vorhersage des Gefüges und der mechanischen Eigenschaften eines gesinterten Bauteils.

Das Fraunhofer IWS bringt langjährige Erfahrung in der additiven Fertigung von Metal-len mit Schwerpunkt auf Werkstoff- und Prozessentwicklung ein. Es hat enge Kooperationen in der Sintersimulation und ein starkes Netzwerk in der additiven Fertigung.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Konsortialführer: Dr.-Ing. Thomas Studnitzky

Originalpublikation:

https://www.ifam.fraunhofer.de/de/Presse/hochtemperaturkomponenten_mittel_3D-dru…

Weitere Informationen:

https://www.ifam.fraunhofer.de/de/Ueberuns/Standorte/Dresden/generative-fertigun…
https://www.htw-dresden.de/
https://www.iws.fraunhofer.de/de/technologiefelder/additive-fertigung-und-oberfl…