Innovative Verbindungen aus verschiedenen Metallen eröffnen neue Möglichkeiten für den 3D-Druck
Die additive Fertigung (AM) mit Metallen – ein Verfahren, das im Allgemeinen als 3D-Druck bezeichnet wird – stand seit jeher vor einer hartnäckigen Herausforderung. Die Fertigung basiert in der Regel von Anfang bis Ende auf einem einzigen Werkstoff. Während sich einheitliche Werkstoffe gut für einfache Bauteile eignen, erfüllen sie oftmals keine komplexen Anforderungen, wie beispielsweise die Kombination von extremer Hitzebeständigkeit, Dehnbarkeit und Festigkeit in einem einzigen Bauteil. Viele Hochleistungslegierungen neigen aufgrund thermisch induzierter Belastungen während des Druckvorgangs zu Rissbildung. Dieses Problem verschärft sich, wenn zwei oder mehr Werkstoffe mittels AM in einem einzigen Bauteil kombiniert werden. Dementsprechend wurden AM-Multiwerkstoffe über kostspielige Versuch-und-Irrtum-Verfahren entwickelt. Es gab keine Entwurfswerkzeuge, keine Qualifikationsstandards und keine Möglichkeit zum Recyceln von Metallpulvergemischen. Dieser Bedarf trat besonders deutlich in den Industriesektoren für Automobile, Luft- und Raumfahrt sowie Energie zutage, in denen die Nachfrage nach leichten, leistungsfähigen und effizienten Eigenschaften schneller stieg, als es AM-Bauteile aus Monowerkstoffen zu leisten vermögen.
Fortschrittliche AM-Multiwerkstoffe voranbringen
Das EU-finanzierte Projekt MADE-3D(öffnet in neuem Fenster) ging diese Herausforderung an, indem es effiziente, nachhaltige und flexible Produktionsverfahren entwickelte, die der wachsenden Nachfrage nach komplexen Bauteilen mit spezifischen Eigenschaften gerecht werden. Das Projektteam entwickelte eine Reihe neuartiger Multiwerkstoffverbindungen, die unter realen industriellen Bedingungen erprobt und demonstriert wurden. Anstatt auf Verfahren nach dem Versuch-und-Irrtum-Prinzip zu setzen, werden diese Verbindungen mittels fortgeschrittener computergestützter Modellierung und maschinellem Lernen erstellt. MADE-3D gelang es weltweit erstmals, Nickel-Titan-Verbindungen per 3D-Druck als Leichtbaulösung für Raketendüsen herzustellen, die extremer Hitze standhalten und gleichzeitig ihre strukturelle Festigkeit bewahren. Die Forscherinnen und Forscher schafften es, Inconel 718 und Ti6Al4V – zwei Hightech-Metalle aus der Luft- und Raumfahrt – fehlerfrei miteinander zu verbinden. Die Werkstoffkombination wurde erfolgreich erprobt und anhand von Bauteilen in voller Größe aus der realen Welt validiert. „Diese Bindung hat mit die größte Anfälligkeit für Rissbildung bei der AM und das Ergebnis kann als wissenschaftliche Neuheit betrachtet werden“, kommentiert Projektkoordinator Dennis Lehnert, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Universität Paderborn in Deutschland. „Im Vergleich zu einer Düse aus einem einzigen Werkstoff konnte eine Gewichtsreduzierung von rund 40 % erzielt werden, was einen bedeutenden Meilenstein darstellt.“ Das Gewicht macht den entscheidenden Unterschied. In der Luft- und Raumfahrt bestimmt es darüber, wie viel Treibstoff verbraucht wird und wie viele Emissionen entstehen. In der Luftfahrt senken leichtere Bauteile in Triebwerken und Antriebssystemen den Treibstoffverbrauch bei jedem Flug, was über die jahrzehntelange Lebensdauer eines Flugzeugs zu erheblichen CO2-Einsparungen führt.
Abstimmung mit den Nachhaltigkeits- und Resilienzzielen der EU
Die technologischen Innovationen verbessern die Leistung, Zuverlässigkeit und Nachhaltigkeit der AM und steigern somit ihre Attraktivität für die Verwendung im Industriesektor. Die europäische Wettbewerbsfähigkeit erhält durch leichtere, festere und effizientere Bauteile, die Materialabfälle reduzieren und die Umweltauswirkungen der Fertigung verringern, einen erheblichen Schub. „MADE-3D zeigt, dass Multiwerkstoffe in der AM einen direkten Beitrag zur Dekarbonisierung des Verkehrs in der Luft- und Raumfahrt leisten können“, merkt Lehnert an. Zu diesem Zweck unterstützt das Projekt die Ziele des europäischen grünen Deals und der Kreislaufwirtschaft(öffnet in neuem Fenster), indem es Recycling und Nachhaltigkeit in den Blickpunkt stellt. Das Projekt setzt zudem neue Maßstäbe in der digitalen Fertigung, welche der EU eine weltweit führende Rolle im Bereich der additiven Fertigung verleiht. „MADE-3D hat den 3D-Druck mit Multimetallwerkstoffen von einem experimentellen, auf Versuch und Irrtum basierenden Ansatz in eine vorhersagbare technische Disziplin verwandelt“, lautet das Fazit von Lehnert. „Es wurde ein umfassender Rahmen geschaffen, der die Entwicklung neuer Werkstoffe und Bauteile vom computergestützten Legierungsdesign über die Verfahrensoptimierung bis hin zu Entwurfsrichtlinien, Qualifikation und Recycling leitet und so ermöglicht, dass zukünftige Multiwerkstoffanwendungen schneller, zuverlässiger und mit geringerem experimentellem Aufwand realisiert werden können.“
