Hochfester Metallschaum aus dem Drucker

Im Sonderforschungsbereich TRR 375, gefördert von der DFG, werden seit 2024 hybride poröse Materialien (HyPo) mittels additiver Fertigungsverfahren entwickelt. Diese Materialien kombinieren geringe Dichte mit hoher Festigkeit. Ziel am match ist die Entwicklung adaptiver Druckpfadplanung und Prozessregelung unter Verwendung von WAAM und L-DED.

Juli 2024 – Nachhaltigkeit, Effizienz und Digitalisierung gelten als Maßstäbe für moderne Fertigungsprozesse und zudem als Treiber für eine positive Produktivitätsentwicklung in weiten Bereichen des produzierenden Gewerbes. In Anlehnung an aktuelle Entwicklungen zeigen additive Fertigungsverfahren (AM) hier einen Ansatz, um die drei genannten Maßstäbe langfristig und effizient in betrieblichen Abläufen umzusetzen. Die erreichbaren Produktivitätsgewinne mittels AM sind jedoch stets vom Anwendungsfall, den gewählten Materialien und den einzustellenden Materialeigenschaften abhängig.

Metallschäume, hochfest trotz bis zu 90% Luft

Im Rahmen des von der DFG seit 2024 geförderten Sonderforschungsbereiches TRR 375 sollen als besondere technische Neuerung Bauteile aus hybriden porösen (HyPo) Materialien mittels additiver Verfahren gefertigt werden. HyPo-Werkstoffe ähneln in ihrer Beschaffenheit allseits bekannten Schäumen, wobei sehr feine metallische Wände große Luftporen einschließen. Die geringe Dichte und gleichzeitig hohe Festigkeit von Metallschäumen resultiert in einem hohen Energieaufnahmevermögen, weshalb derartige Schäume aktuell beispielsweise zur Schwingungs- und Akustikdämpfung in Fahrzeugen zum Einsatz kommen. Die additive Fertigung von HyPo-Werkstoffen ermöglicht zukünftig gezielt einstellbare Schaumeigenschaften wie veränderliche Dichte oder Luftporenanzahl. Die so erzeugten Bauteile können sehr effizient auf spezielle Anwendungsfälle hin optimierten werden, da die lokal im Bauteil herrschenden Materialparameter gezielt eingestellt werden können. So sollen in Zukunft Werkzeugaufnahmen für Fräsmaschinen mit geschäumtem Kern gefertigt werden. Die resultierende Massenreduktion bei gleichbleibender Festigkeit, dient insbesondere der Steigerung der Energieeffizienz der Maschinen.

Unterschiedliche Materialeigenschaften schon in Druckpfadplanung integrieren

Die präzise Fertigung von Bauteilen mit derart variierenden Eigenschaften mittels additiver Verfahren erfordert jedoch ein tiefes Verständnis der Kombination der unterschiedlichen metallischen Werkstoffe, des Einflusses der eingestellten Prozessparameter sowie eine auf diese Einflüsse zugeschnittene Art der Prozessplanung.

Prüfstand zur Entwicklung von modellbasierten Steuerungs- und Regelungskonzepten für additive Fertigungsprozesse | Quelle: match Hannover

Die Teams der WGP-Institute match Hannover und MTS Kaiserslautern entwickeln hierfür adaptive Bahnplanungs- und Regelungskonzepte für die additive Fertigung von HyPo-Bauteilen, unter Verwendung industrieller Roboter. Für die Fertigung selbst werden die Verfahren des Lichtbogen- (WAAM) bzw. Laserauftragschweißen (L-DED) untersucht. Primäres Forschungsziel am match stellt dabei die Entwicklung von Ansätzen zur variablen Integration von prozess-, zeit- und umweltabhängigen Eigenschaften verschiedener metallischer Materialien in die Druckpfadplanung dar. Dazu werden zunächst in Kooperation mit verschiedenen Projektpartnern geeignete Sensoren in die Fertigungsanlagen integriert. Danach werden unter Verwendung der aufgezeichneten Daten gezielt Modelle zur Prozessabbildung entwickelt. Die entworfenen Prozessabbilder können dann in geeignete Algorithmen überführt werden, welche zur modellbasierten Druckpfadplanung und Online-Anpassung von Prozessparametern eingesetzt werden. Auf diese Weise wollen die Forschenden der WGP bis 2027 einen anpassungsfähigen und robusten Fertigungsprozess für hybride poröse Materialien etablieren. Hierfür können die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des match Hannover auf ihre Erfahrungen aus vier Jahren Forschung zu additiven Fertigungsprozessen im Bauwesen zurückgreifen. Im Rahmen des TRR 277 war beispielsweise der in Abbildung 2 gezeigte Versuchsaufbau zur Untersuchung von Regelungsansätzen für großskalige schaumbasierte Druckprozesse entstanden.

Förderer

DFG TRR 375 HyPo

Ansprechpartner

Institut für Montagetechnik und Industrierobotik (match)
Leibniz Universität Hannover

Prof. Annika Raatz
Institutsleiterin
Tel.: +49 511 762 18242
E-Mail: raatz@match.uni-hannover.de

Simon Kleinschmidt
Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Tel.: +49 511 762 18240
E-Mail: kleinschmitdt@match.uni-hannover.de

Downloads:

Beitragsbild:

Die Kick-off-Veranstaltung des Transregios 375 fand vom 03. und 04. April statt. Die Vertretenden und Bearbeitenden der Leibniz Universität Hannover sowie der RPTU Kaiserslautern kamen an diesen beiden Tagen erstmalig zusammen. | Quelle: match Hannover

Bild 1:

Prüfstand zur Entwicklung von modellbasierten Steuerungs- und Regelungskonzepten für additive Fertigungsprozesse | Quelle: match Hannover

Schulung in Mechatronischer Funktionalisierung durch 3D-Druckverfahren