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Pulverbaukasten für den 3D-Druck: Metallpulver nach Wunsch

3D-Druck
Pulverbaukasten macht 3D-Druck flexibel

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3D-Druck mittels Laserstrahl: Aus wenigen Grundmaterialien Werkstoffe mit verschiedenen Materialeigenschaften zusammenstellen – das ist das Konzept des LPBF-Pulverbaukastens (Bild: Fraunhofer IFAM )
Ein maximal flexibles Fertigungsverfahren, aber eine begrenzte Werkstoffpalette: Das soll sich mit dem Pulverbaukasten für das pulverbasierte Laserstrahlschmelzen (LPBF) ändern.

Unter den Verfahren der additiven Fertigung, des 3D-Drucks, ist das pulverbasierte Laserstrahlschmelzen (LPBF) wohl das bekannteste. Es hat großes Potenzial für die industrielle Anwendung. Dennoch ist die Palette verfügbarer Werkstoffe mit weniger als 30 Varianten bisher sehr überschaubar – wohingegen es für klassische Produktionsprozesse hunderte verschiedene Stähle, Aluminiumlegierungen, verschleißfeste Kobalt-Chrom-Legierungen und vieles mehr für jede spezifische Anwendung gibt.

Pulvermischungen für den 3D-Druck nach Wunsch herstellen

Wie sich aus einer kleinen Auswahl verschiedener Metallpulver Mischungen herstellen lassen, die genau die gewünschten Materialeigenschaften aufweisen, haben Forscher am Institut für Werkstoffanwendungen im Maschinenbau (IWM) der RWTH Aachen und am Fraunhofer IFAM untersucht. Mit dem von ihnen entwickelten Pulverbaukasten lassen sich robuste und individuelle Metallpulvermischungen herstellen. Der Anwender kann also eine Legierung nach seinen Wünschen flexibel einstellen.

Der LPBF-Pulverbaukasten enthält beispielsweise Eisenbasispulver mit und ohne Kohlenstoff, Chrom, Nickel, Molybdän und Titancarbid. Die Zusammensetzung der Legierung wählt der Anwender passend zum spezifischen Anforderungsprofil: Zu den häufig geforderten Materialeigenschaften zählen Korrosionsbeständigkeit, Festigkeit, Härte und Wärmeleitfähigkeit.

Wolframlegierung für 3D-Druck komplexer Bauteile

Pulver für den 3D-Druck mischen und homogenisieren

Die Eigenschaften der geplanten Pulverzusammensetzung werden mittels thermodynamischer Simulationsmethoden ermittelt und das Pulver wird durch angepasste Misch- und Homogenisierungsverfahren aufbereitet. Anschließend werden die optimalen Prozessparameter bestimmt und der so erzeugte Werkstoff durch mikrostrukturelle Charakterisierung und Prüfung der mechanischen Eigenschaften qualifiziert.

Maßgeschneiderte, korrosionsbeständige Edelstähle für gezielt eingestellte Eigenschaftsprofile wurde im Projekt durch Legieren hergestellt. Dabei waren Einflussfaktoren erkennbar, die eine gute korrosionsbeständige Legierungsbildung begünstigen. Es zeigte sich auch, dass die im LPBF-Prozess legierten korrosionsbeständigen Werkzeug- und Duplexstähle resistenter waren als das jeweilige Basispulver.

Pulverbaukasten sichert Produktion, sobald die Grundmaterialien beschafft sind

Von dem Forschungsvorhaben profitieren insbesondere Unternehmen, die flexibel sein müssen und Auftraggeber mit unterschiedlichen Anforderungsprofilen beliefern. Dazu zählen insbesondere Produktionsdienstleister, die meist zu den kleinen und mittelständischen Unternehmen gehören. Die Produktion von Metallpulvern dauert im Normalfall vier Wochen. Möchte ein Produzent verschiedene Materialien mit geringen Mengen abdecken, wachsen die Wartezeiten enorm. Durch den LPBF-Pulverbaukasten können gewünschte Materialeigenschaften erreicht werden, sobald die Grundmaterialien einmal beschafft sind. Das sichert die Produktion bei potenziellen Lieferengpässen. Nächste Entwicklungsschritte sind die automatisierte Berechnung und Einstellung der Pulvermischung für die spezifische Produktentwicklung.

3D-Druck von Metall: Bei kleinen Stückzahlen ist Fused Layer Modeling interessant

Eine Fortsetzung des Projekts ist beabsichtigt. Interessierte Unternehmen können im projektbegleitenden Ausschuss des anschließenden Forschungsvorhabens „Gezielte Optimierung von Homogenität und Flexibilität im LPBF-Pulverbaukasten“ mitwirken.

www.ifam.fraunhofer.de; www.iwm.rwth-aachen.de

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