3D-Druck für Autoteile

Udo Jung und Heinrich Friederich vom Kompetenzzentrum Verkehr – Mobilität – Automotive der TH Mittelhessen in Friedberg untersuchen ein neues 3D-Druck­verfahren für die industrielle Anwendung, das Metall-Laserstrahl­schmelzen, mit dem sich ein Produkt schichtweise aufbauen lässt. Ein von einem CAD-Daten­satz gesteuerter Laserstrahl verschmilzt bei Temperaturen von mehreren hundert Grad sehr dünne Pulver­schichten. Die Bearbeitung erfolgt Schicht für Schicht in vertikaler Richtung.

Diese additive Fertigung hat gegenüber konventionellen Verfahren verschie­dene Vorteile. Beschränkungen klassischer Produktions­wege, die zum Beispiel bei Guss­teilen Hohlräume oder Hinter­schneidungen vermeiden müssen, fallen weg. Jedes Bauteil lässt sich damit auf andere Weise herstellen als das vorherige – ohne Werkzeug­wechsel. Dadurch wird zum Beispiel eine Klein­serien- oder Einzel­teil­­fertigung attrak­tiver. Ersatz­teile bei Bedarf dezentral zu produzieren macht eine teure Lagerhaltung überflüssig. „Die Möglichkeiten der additiven Fertigung sorgen für eine erhebliche Flexibi­lisierung des Kon­struk­tions- und Produktions­prozesses. Sie ist eine Schlüsseltechnologie zur Umsetzung der Hightech-Strategie ´Industrie 4.0`, die die Bundes­regierung anstrebt“, sagt Udo Jung.

Bislang kommt das Metall-Laserstrahlschmelzen in der Luftfahrt­industrie sowie in der Zahn- und Medizin­technik zum Einsatz. Für die Nutzung in Maschi­nenbau- und Auto­industrie fehlen wesentliche Kenntnisse zu passenden Fertigungs­parametern. In dem Projekt suchen die Forscher deshalb Antworten auf Fragen etwa nach der optimalen Schichtdicke, der Positio­nierung im Bauraum und der Temperatur und Energiedichte des Lasers. Für gängige Werkstoffe wie Walzstahl oder Aluminium-Druckguss gibt es seit Jahr­zehnten Kennwerte für Konstruktion und Auslegung eines Bauteils. Im Projekt wollen die Wissen­schaftler solche zuverlässigen Werkstoff­kennwerte nun auch für mit dem neuen Verfahren gefertigte Bauteile bereitstellen. „Dabei geht es um mechanische Eigenschaften wie zum Beispiel Zugfestigkeit, Steifigkeit und Elastizität, Zähigkeit oder Porosität“, führt Heinrich Friederich aus.

Mehr als 400 Einzelversuchen müssen sich die Bauteile aus einer Stahl- und einer Aluminiumlegierung unterziehen. Die Forscher wollen das Verhalten der mit dem Laserstrahlschmelzverfahren hergestellten Bauteile auch per Computer simulieren und so die Zahl kostspieliger Versuche begrenzen.

„Wir werden die Ergebnisse in einer konkreten Handlungs­anweisung zusammen­fassen, nach der diese Bauteile mit zuverlässigen und reprodu­zierbaren Eigenschaften hergestellt werden können. Sie dient den Konstrukteuren als Mittel für die sichere Auslegung von Bauteilen mit hoher Prozess­sicherheit und Qualität“, fasst Jung zusammen.

Das Forschungsvorhaben läuft zwei Jahre und hat ein Gesamt­volumen von 415.000 Euro. Es wird im Rahmen der hessischen „Landes-Offensive zur Entwicklung Wissen­schaftlich-ökonomischer Exzellenz“ (LOEWE) unter­stützt.

TH Mittelhessen / PH