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Additive Manufacturing Aiming Towards Zero Waste & Efficient Production of High-Tech Metal Products

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Additive Metallfertigungsverfahren für High-Performance-Teile anpassen

Das EU-finanziertes Projekt AMAZE stellt das bis dato umfassendste Projekt im Bereich der additiven Fertigung (Additive Manufacturing, AM) von Metallen dar. Neben den experimentellen Daten tragen die Ergebnisse der mikro-, makro- und mesoskaligen Multiphysikmodellierung jeweils dazu bei, dass die AM zu einem weitläufigen industriellen Verfahren wird.

Industrielle Technologien

Die Anwendung herkömmlicher Fertigungsverfahren zur maschinellen Bearbeitung komplexer Teile bspw. im Bereich des Schmiedens kann dazu führen, dass mitunter lediglich 10 % des ursprünglich eingesetzten Materials bei dem Endprodukt Verwendung finden. Verfahren im Bereich der additiven Fertigung (AM), bei denen Teile auf die erforderliche finale Form „gezüchtet“ werden, sind weitaus effizienter. Das EU-finanzierte Projekt AMAZE wurde eingerichtet, um eben diesen Ansatz zu nutzen. Im Zuge des Projekts konnten bis zu 50 % der Fertigungskosten eingespart werden, der Materialabfall konnte auf geringfügige Mengen reduziert werden und es bedurfte nur der Hälfte der Grundfläche, da zwei Verfahren in einer Maschine miteinander kombiniert wurden (kombinierte additive und maschinelle Bearbeitung für die Reparatur eines Gasturbinenteils). Ferner wurden optimierte AM-Materialien entwickelt, die aufgrund ihrer besseren Leistung mit anspruchsvolleren Anwendungen fertig werden. Hierzu zählten bspw. gegen hohe Temperaturen feuerfeste Materialien, die bislang noch nicht per AM bearbeitet worden waren und deren Bearbeitung sich unter Verwendung konventioneller Fertigungsmethoden äußerst schwierig gestaltet. Sicherung von Effizienz und Qualität Ein entscheidender Aspekt für den Erfolg des AMAZE-Projekts war ein besseres Verständnis von der Bedeutung, welche die Beschaffenheit des Rohmaterials (Pulver und Draht) auf die Integrität der hergestellten Teile hat und welche Rolle das AM-Verfahren im Allgemeinen spielt. Im Rahmen des Projekts konnten neue Spezifikationen für AM-Material entwickelt und Prüfprotokolle erstellt werden. Es wurden ebenfalls bessere Möglichkeiten für die Aufbewahrung, die Handhabung und das Recycling von AM-Material gefunden. Projektkoordinator Professor David Wimpenny meint hierzu: „Es wurden auch Versuche durchgeführt, um die Auswirkungen der Bearbeitungsparameter auf die Mikrostruktur, auf die erzeugten Mängel und auf die Eigenspannung in Erfahrung zu bringen – diese Informationen werden dazu beitragen, die nächste Generation der AM-Maschinen, -Materialien und -Prozessmodelle zu entwickeln.“ Im Rahmen des AMAZE-Projekts konnte die Produktivität der AM-Verfahren erheblich verbessert werden, in manchen Fällen waren Steigerungen der Aufbaurate um das zehnfache möglich. Dies konnte durch die Anwendung einer Vielzahl von Techniken wie z. B. der Verwendung leistungsfähigerer/mehrerer Bearbeitungslaser und innovativer Aufbaustrategien erreicht werden, bei denen lediglich die Oberfläche eines Teils in der AM-Maschine geformt wird und das verbleibende Material in einem HIP-Ofen (Hot Isostatic Pressing, heißisostatisches Pressen) verschmolzen wird. Die Beschaffenheit der Teile selbst wurde durch eine Optimierung der Prozessparameter und durch die genaue Beobachtung wichtiger Prozessvariablen verbessert. Auch die Maßgenauigkeit wurde verbessert. Das Team erzielte z. B. eine dreimal bessere Genauigkeit bei den Pulverbett-Fusionsprozessen mit hoher Abscheiderate. Prof. Wimpenny weist jedoch darauf hin: „Eine der größten Herausforderungen des AMAZE-Projekts war die Entwicklung einer effektiven Methode für die Integritätsbewertung komplexer AM-Teile. Eine im Rahmen des Projekts entwickelte Lösung bestand in der Anwendung von Röntgen-Computertomographie-Methoden, die den Weg für Scans des menschlichen Körpers zur medizinischen Diagnose bereiten.“ Stärkeres Vertrauen der Industrie in eine Vielzahl an High-Performance-Teilen. Wesentliche Verbesserungen in der Produktivität und Konsistenz bei der AM-Bearbeitung werden neben den klar dargelegten Vorteilen für die Industrie eine europaweite Umsetzung dieses neuen Fertigungsansatzes beschleunigen. Prof. Wimpenny erklärt zusammenfassend: „Dies wird für den Menschen viele verschiedene Vorteile mit sich bringen. Zum Beispiel ein besseres Gesundheitswesen aufgrund der Verfügbarkeit haltbarerer, maßgeschneiderter medizinischer Implantate, eine robustere globale Kommunikation durch leichtgewichtige Satelliten, deren Start kostengünstiger ist oder eine grenzenlose Stromerzeugung, indem die Nutzung der Kernfusionstechnologie ermöglicht wird.“ Seit dem Ende des Projekts setzen Endanwender des AMAZE-Projekts wie Thales Alenia, Bombardier Aerospace Belfast, das Culham Centre for Fusion Energy und die Europäische Weltraumorganisation die Untersuchung der langfristigen Leistung der Demonstrationsteile des Projekts für zukünftige Anwendungsmöglichkeiten fort. Ein weiteres Vermächtnis des Projekts ist ein Beitrag für die Etablierung neuer Standards, einschließlich eines Benchmarking-Verfahrens, das auf einer „Suite“ an zu untersuchenden Prüfartefakten basiert: Geometrische Genauigkeit, Oberflächenbeschaffenheit, Auflösung, Dichte, Mikrostruktur und Produktivität.

Schlüsselbegriffe

AMAZE, additive Fertigung, AM, High-Performance-Teile, Bearbeitungsparameter, Mikrostruktur, Maßgenauigkeit

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