03.09.2025

Additive Fertigung von Metall wird effizienter, günstiger und nachhaltiger

EU-Projekt InShaPe: Fertigungsrate versechsfacht, Produktionskosten halbiert, Energieverbrauch und Materialausschuss deutlich reduziert bei gleichzeitig verbesserter Bauteilqualität.

Das Konsortium hat in den letzten drei Jahren einen neuen Ansatz zur Prozess­optimierung entwickelt, der KI-gesteuerte Strahl­formung mit multi­spektraler Bildgebung (MSI) bei dem additiven Fertigungs­prozess des pulverbett-basierten Schmelzens von Metallen (PBF-LB/M) kombiniert. Ziel des Projekts war es, Effizienz, Wirtschaft­lich­keit und Nach­haltig­keit dieses Fertigungs­verfahrens deutlich zu verbessern. Diese Innova­tionen haben die Projekt­partner an fünf anspruchsvollen indus­triellen Demonstra­toren aus der Luft- und Raumfahrt, dem Energie­sektor und dem Maschi­nenbau erfolgreich erprobt. Die Professur für Laser-based Additive Manufac­turing der TU München koordi­nierte das Projekt und führte es gemeinsam mit zehn weiteren Partnern aus acht Ländern durch. Die Europäische Union förderte InShaPe mit 7,2 Mio. Euro aus dem Rahmen­programm „Horizon Europe“.

Obwohl die pulverbett-basierte additive Fertigung von Metallen mittlerweile eine zentrale Technologie für die Herstellung komplexer Metallbauteile ist, sorgen starre Laserstrahlprofile und unzureichende Prozessüberwachungsmethoden häufig für Probleme im Schmelzvorgang und können zu Materialfehlern und Produktionsstopps führen. Dies verursacht Ausschuss, erhöht den Energieverbrauch und die Produktionskosten und verlangsamt grundsätzlich den Produktionsprozess. Das Konsortium des EU-Projekts InShaPe hat sich diesen Herausforderungen gestellt und in seiner Forschungsarbeit einen neuen Fertigungsansatz entwickelt, der KI-gesteuerte Strahlformung und multispektrale Bildgebung kombiniert.

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Den Projektpartnern von InShaPe ist es gelungen, die Produktivität des PBF-LB/M-Prozesses erheblich zu steigern. Bei verschiedenen industri­ellen Anwendungen erreichten sie Produktivitäts­steigerungen von über 600 Prozent (6,2-fach), einschließlich Fertigungsraten von bis zu 93,3 cm3/h bei Inconel 718-Bauteilen. Die ursprüngliche Fertigungs­rate betrug 15 cm3/h. Gleichzeitig hat es das Konsortium geschafft, die Kosten um fünfzig Prozent zu reduzieren und damit ein wichtiges Projektziel zu erreichen. 

Die Innovation der Strahlformung und der multi­spektralen Bildgebung (MSI) demonstrierten die Projektpartner an fünf industriellen Anwendungs­fällen: ein Impeller für die Luft- und Raumfahrt (Inconel 718), ein indus­trielles Gas­turbinen­teil (Inconel 718), ein Teil einer Raumfahrt­brenn­kammer (CuCrNb), ein Zylinderkopf eines Kettensägenmotors (AlSi10Mg) und Komponenten von Satelliten-Antennen für die Raumfahrt-Kommunikation.

Die intelligente Strahlformung und multi­spektrale Bildgebung arbeiten eng zusammen, um den additiven Fertigungs­prozess deutlich zu verbessern. Das Laser­strahl­profil wird bauteil­spezifisch angepasst, wobei Geometrie und Material gezielt berücksichtigt werden. Das verbessert die Qualität des Bauteils und ermöglicht eine schnellere Verarbeitung, da Fehler wie Risse oder Spritzer und Kondensat­bildung reduziert werden, die sonst Nach­arbeit und/oder Ausschuss verursachen. Als besonders vorteilhaft für vielfältige Anwen­dungen hat sich in der Forschungs­arbeit von InShaPe ein ringförmiges Strahlprofil − in Verbindung mit optimierten Scanning-Strategien – erwiesen. Dabei wird die Laser­energie gezielt nicht mittels Gaußprofil, sondern über eine ringförmige Intensitäts­verteilung eingebracht, um so das Schmelzbad zu erzeugen. Dies führt zu einer stabileren Schmelz­zone und einer gleichmäßigeren Material­bearbeitung. 

Parallel dazu erfasst die neue multispektrale Bildgebung Signale in unter­schiedlichen Wellenlängen­bereichen und überwacht den PBF-LB/M-Prozess in Echtzeit. So lassen sich thermische Veränderungen im Schmelzbad frühzeitig erkennen. Die erfassten Daten fließen direkt in die Prozessregelung ein. Fehler, die früher zu Produktions­unter­brechungen oder Nacharbeit führten, können nun behoben werden, wodurch der Prozess ohne große Verzögerungen weiterlaufen kann.

Insgesamt markiert dieser innovative Ansatz einen wichtigen Fortschritt auf dem Weg zur industriellen Serien­fertigung mit PBF-LB/M: Das Zusammen­spiel von intel­ligenter Strahlformung und MSI-basierter Prozess­steuerung führt zu einem stabileren Schmelz­verlauf, reduziert Fehler­quellen und ermöglicht einen gezielten, ressourcen­schonenden Energie­einsatz. Dadurch lassen sich komplexe Metall­bauteile schneller, kosten­günstiger und nachhaltiger produzieren – bei gleichzeitig höherer Qualität und deutlich gesteigerter Produktivität. Damit ebnet InShaPe den Weg für eine beschleunigte industrielle Einführung von KI-gesteuerter Strahl­formung und MSI-basierter Prozess­steuerung und stärkt den technolo­gischen Fortschritt in der additiven Fertigung – insbesondere für die Luft- und Raumfahrt, die Energie- und Automobil­branche. 

„Das Interesse von Wissen­schaft und Industrie an unserer Arbeit ist groß. Wir freuen uns darauf, dass diese Techno­logie in naher Zukunft in indus­trielle Systeme einfließen und zu Fort­schritten bei der Prozess­kontrolle, Qualitätssicherung und Anwendungs­leistung in verschie­denen Sektoren führen wird“, so InShaPe-Koordinatorin Katrin Wudy, Profes­sorin an der School of Engineering and Design der Tech­nischen Universität München.

Projektpartner aus der Industrie sind Aenium Engineering, Spanien, AMEXCI, Schweden, BEAMIT, Italien, EOS Electro Optical Systems, Deutschland, Oerlikon AM Europe, Deutschland, und SILIOS Technologies, Frankreich. [BayFOR / dre]

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