Ein Forscherteam aus Deutschland und Australien hat das Projekt „UltraGrain“ mit dem Ziel gestartet, beim draht- und pulverbasierten Laserauftragschweißen eine maßgeschneiderte feinkörnige Mikrostruktur zu erzeugen. Damit sollen mit Laserauftragsschweißen hergestellte Bauteile korrosionsbeständiger sein und verbesserte mechanische Eigenschaften mit verschiedenen technischen Legierungen erreicht werden können. Wir stellen die Arbeit der Forscher vor.

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Ein Team von Forschern aus Hamburg, Dresden und Melbourne (Australien) hat laut einer Pressemitteilung des Fraunhofer IWS im Juni 2022 das Projekt „UltraGrain“ gestartet. Ihr Ziel ist es, beim draht- und pulverbasierten Laserauftragschweißen eine maßgeschneiderte feinkörnige Mikrostruktur (Graduierung) zu erzeugen, um eine bessere Korrosionsbeständigkeit und verbesserte mechanische Eigenschaften mit verschiedenen technischen Legierungen zu erhalten. Beim Laserauftragsschweißen trägt eine Laseranlage Beschichtungen oder schichtweise komplexe Strukturen auf einen Metallrohling. Die Maschine führt einen Draht oder ein Pulver aus dem gewünschten Material dem Strahl aus energiereichem Licht hinzu. Das Metall schmilzt und es entsteht schichtweise eine neue Struktur.

Laserauftragsschweißen mit Ultraschall kombinieren

Die Forscher kombinieren draht- und pulverbasiertes Laserauftragsschweißen mit Ultraschall. Dabei senden sie während des 3D-Drucks zum Beispiel feine Vibrationen mit einer präzise definierten Frequenz durch das entstehende Bauteil. Der Ultraschall soll verhindern, dass sich darin säulenartige Strukturen bilden. Derartige Säulen sind im Material oft unerwünscht, da sie einseitig ausgerichtet zu schlechteren mechanischen Leistungen führen. Unter Ultraschallwirkung bilden sich feinere, rund geformte Mikrokörner, die an den bearbeiteten Stellen nahezu gleichmäßig verteilt sind, was die mechanische und chemische Belastbarkeit der additiv erzeugten Werkstücke erhöht.

Modell aus Projekt UltraGrain
Die entwickelten Optimierungsalgorithmen des Fraunhofer IAPT werden in der Lage sein, relevante ultraschallbeeinflusste Bereiche in Strukturbauteilen zu identifizieren (grau: feine Kornstruktur vorteilhaft mittels Ultraschallanregung; blau: grobe Kornstruktur vorteilhaft ohne Ultraschallanregung)(Bild © Fraunhofer IAPT).

Beim Entwurf von Bauteilen lässt sich vorgeben, wo das Werkstück später im Einsatz großen Belastungen ausgesetzt sein wird und eine ultraschall-gesteuerte Kornstruktur einplanen. Designer können auch entscheiden, wo sie zugunsten einer schnelleren Produktion darauf verzichten. Eine solche Graduierung ist bei Gastanks von Raumsonden, die für eine lange Zeit hohen Belastungen ausgesetzt sind, oder bei Werkzeugen in Autofabriken wichtig, die hohe Punktbelastungen in der Massenproduktion widerstehen müssen.

Einsatzbereiche der Projektbeteiligten

Eigene Systemtechnik am Fraunhofer IWS zum Laserauftragschweißen mit Hilfe von Ultraschallanregung
Eigene Systemtechnik am Fraunhofer IWS zum Laserauftragschweißen mit Hilfe von Ultraschallanregung (Bild © Fraunhofer IWS).

Mit seiner Expertise im Laserauftragschweißen und Systemtechnikentwicklung stehen beim Fraunhofer IWS besonders additive Verfahren im Fokus, bei denen die Anlagen die gewünschten Titan– oder Stahllegierungen dem Laser in Drahtform zuführen. Das Fraunhofer IWS wird mit pulverförmigen Ausgangsmaterialien Untersuchungen durchführen.

Das Fraunhofer IAPT wird die optimale Auslegung von Bauteilen mit unterschiedlichen Kornstrukturen prüfen und wird in Anlehnung an ein „Multi-Material-Design“ nach einer Methodik zur optimalen Platzierung ultraschallbeeinflusster Materialbereiche innerhalb einer bestimmten Bauteilgeometrie suchen. Das Fraunhofer IAPT prüft außerdem die optimale Bahnplanung für die neue Prozesstechnologie.

Mit fortschrittlichen Synchrotonmessungen wird das RMIT Centre for Additive Manufacturing die physikalischen Prozesse untersuchen, die der Ultraschall bei dem neuen Verfahrensansatz im Werkstoff auslöst sowie mögliche Skalierungseffekte. Es könnten auch unerwartete Nebeneffekte auftreten beim Übergang von einer Laborfertigung zentimetergroßer Bauteile hin zu additiv erzeugten Serienkomponenten, die mehrere Dezimeter oder Meter umfassen.

Teilnehmer und Finanzielles

Die Projektmitarbeiter des RMIT Centre for Additive Manufacturing, Associate Prof. Andrey Molotnikov, Distinguished Prof. Milan Brandt und Distinguished Prof. Ma Qian, sind überzeugt, dass die additive Fertigung von Luft– und Raumfahrtteilen von der Einführung der Ultraschalltechnologie, an der die Forscher arbeiten, profitieren wird. An dem mit vier Millionen Euro dotierten Projekt beteiligen sich das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden, die Fraunhofer-Einrichtung für Additive Produktionstechnologien IAPT in Hamburg und das RMIT Centre for Additive Manufacturing in Melbourne, Australien.

Das RMIT steuert 2,5 Mio. Euro zum Projekt bei. Die Fraunhofer-Gesellschaft fördert das Projekt mit 1,5 Mio. Euro aus ihrem „International Cooperation and Networking“-Programm. Am 11. Oktober 2022 fand ein Auftakttreffen unter dem Leitthema „On-demand Gradierung der Kornstruktur durch ultraschallunterstützte AM – von der Demonstration zur Industrialisierung“ in Dresden statt. Auf der kommenden Formnext, die am Dienstag beginnt, wird das Fraunhofer Institut am Fraunhofer Gemeinschaftsstand in Halle 11.0, Stand D51 seine aktuellen Arbeiten vorstellen.

Stimmen der Mitwirkenden

Projektleiterin Dr. Elena López vom Fraunhofer IWS, sagte:

„Mit UltraGrain können wir Eigenschaften wie die Ermüdungsbeständigkeit, Festigkeit, Belastbarkeit und Duktilität verbessern und reduzieren die Rissanfälligkeit von additiv gefertigten Bauteile deutlich. Zudem eröffnet sich durch dieses Projekt die Chance, neue Kontakte in die australische Industrie zu knüpfen und die internationalen Erträge unseres Instituts zu steigern.“

Prof. Christoph Leyens, Institutsleiter des Fraunhofer IWS und Adjunct Professor am RMIT, betont:

„Uns ist dieses gemeinsame Projekt mit dem RMIT und dem Fraunhofer IAPT eine besondere Herzensangelegenheit. UltraGrain wird dabei helfen, Additive Manufacturing in eine breite industrielle Anwendung zu bringen.“

Prof. Ingomar Kelbassa, Institutsleiter des Fraunhofer IAPT und ebenfalls Adjunct Professor am RMIT, sagte:

„Sowohl das Fraunhofer IAPT als auch das Fraunhofer IWS arbeiten schon seit längerer Zeit über persönliche Kontakte mit den australischen Kolleginnen und Kollegen zusammen. UltraGrain ist jedoch nun das erste finanziell dotierte Vorhaben, das direkt in einen Transfer gemeinsamer Forschungsergebnisse in die industrielle Praxis münden soll.“

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