4D-Druck

Dr. Heike Brandt, Dr. Diana Freudendahl, Dr. Ramona Langner

Für viele Werkstoffe ist zunehmend von Interesse, ob sie auch im Bereich der generativen Fertigungsverfahren eingesetzt werden können. Daher wird mit annähernd der gesamten Materialpalette bezüglich ihrer Druckbarkeit experimentiert. Dies gilt zunehmend auch für adaptive Materialien wie Formgedächtnislegierungen. 3D-Druck hat sich als Synonym für den Sammelbegriff additive bzw. generative Fertigung durchgesetzt und umfasst die Nutzung unterschiedlicher Fertigungsmethoden, bei denen durch sukzessives Verbinden formloser Ausgangsmaterialien, wie z. B. Pulver, Pasten oder Bindemitteln, Werkstücke entsprechend einer digitalen Vorlage punktgenau in den drei räumlichen Richtungen aufgebaut werden. Der 4D-Druck bezeichnet dabei den 3D-Druck von adaptiven Materialien, die noch mehr oder weniger lange nach dem eigentlichen Druckvorgang entscheidende Zustandsänderungen erfahren können. Weiterlesen

Lichtbogenbasierte additive Fertigung mit Draht und Pulver als Zusatzwerkstoff

Einleitung

Die additiven bzw. generativen Fertigungsverfahren werden auch als „Rapid Prototyping“ oder „3D-Druck“ bezeichnet und sind in Deutschland innerhalb der VDI Richtlinie 3405 definiert. Je nach Anwendungsfeld grenzen sich die exakten Bezeichnungen dennoch voneinander ab. Demnach umfasst die generative Fertigung alle Verfahren, welche durch Fügen von Materialien die gewünschte Geometrie erzeugen bzw. die Bauteile aus mehreren Schichten generieren [Geb16]. Weitere Unterscheidungskriterien der additiven Verfahren sind technologisch begründete Unterschiede wie z. B. die verschiedenen Ausgangsmaterialien (Draht oder Pulver), sowie die Anwendung verschiedener Energiequellen für das Aufschmelzen des Schweißmaterials (Laserstrahl, Elektronenstrahl, Lichtbogen). Einen Überblick hierzu gibt Abbildung 1 welche außerdem die Art der Zuführung bzw. Bereitstellung des Schweißguts berücksichtigt.

Einteilung additiver Fertigungsverfahren

Abbildung 1: Einteilung additiver Fertigungsverfahren [Ogi18]

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Additiver Werkzeugaufbau zur verbesserten Prozessdynamik bei der Drehbearbeitung von TiAl6V4

Abbildung 1: Übersicht der generierten Wende-schneidplattenhalter (WSPH

Dipl.-Ing. Florian Vogel, Sebastian Berger M.Sc., Dr.-Ing. Ekrem Özkaya, Prof. Dr.-Ing. Dirk Biermann

Einleitung

Resultierend aus der sich bei der Zerspanung von Titanwerkstoffen einstellenden, werkstoffspezifischen Segmentspanbildung können eingesetzte Werkzeuge je nach gegebenen Prozessbedingungen erheblich in Schwingung versetzt werden, sodass neben einem gesteigerten Werkzeugverschleiß die geforderten Bauteilqualitäten oftmals nicht erzielbar sind. Durch den Einsatz additiv gefertigter Wendeschneidplattenhalter (WSPH) für die Drehbearbeitung von TiAl6V4 erfolgt eine passive Dämpfung derartiger, spanbildungsinduzierter Werkzeugschwingungen. Ausschlaggebend hierfür ist die durch den additiven Herstellungsprozess ermöglichte Erzeugung speziell gestalteter Hohlelemente in den Schäften der WSPH. Einerseits bedingt durch eine daraus resultierende, schwingungsoptimierte Werkzeuggestaltung, andererseits aufgrund der inneren Reibung von zusätzlich in die Schäfte eingebrachten Füllwerkstoffen werden die Schwingungsamplituden des Werkzeugs signifikant reduziert. Weiterlesen

Legierungsentwicklung für die Additive Fertigung

Bild 1: Feine Lamellenstruktur einer mit LMD hergestellten eutektischen Legierung auf Al-Basis

Andreas Weisheit, Fraunhofer-Institut für Lasertechnik

Unter dem Begriff der Additiven Fertigung, auch als 3D Druck bezeichnet, werden heute zahlreiche Verfahren subsummiert. Für metallische Werkstoffe sind die laserbasierten Verfahren im Pulverbett (Laser Powder Bed Fusion, LPBF) und mit Pulver- oder Drahtzufuhrdüse (Laser Metal Deposition, LMD) die wichtigsten, die auch als Laser Additive Manufacturing (LAM) zusammengefasst werden. In beiden Verfahren wird der Werkstoff vollständig aufgeschmolzen und Schicht für Schicht zu einem Bauteil aufgebaut. Die werkzeuglose Fertigung bietet ein hohes Maß an Individualisierung und (fast) unbegrenzte Design-Möglichkeiten. LAM hat in den letzten zwei Jahrzehnten eine rasante Entwicklung erfahren. Am Anfang waren es nur Prototypen, die mit diesem Fertigungsverfahren hergestellt wurden. Rasch kam dann die Herstellung von Unikaten (z. B. Implantate) und Einzelteilen (z. B. Werkzeugeinsätze) hinzu. Heute bewegt sich das Verfahren in Richtung einer Serienfertigung bis zu mehreren Zehntausend Teilen im Jahr. In Forschung und Industrie wird derzeit intensiv an hierfür notwendigen Voraussetzungen wie der Erhöhung der Produktivität, der Qualitätssicherung und der Integration in Prozessketten gearbeitet. Weiterlesen

Additive Fertigung in der Instandhaltungslogistik

Abb. 1: Beispiele für additiv gefertigte Ersatzteile bei der STURM GmbH (Quelle: STURM GmbH)

Additive Fertigung

Die Anforderungen an den Produktionssektor werden im Zuge der Digitalisierung immer vielfältiger. Kundenwünsche nach individualisierten Produkten, kurzen Servicezeiten und hohen Verfügbarkeiten nehmen immer weiter zu. Konventionelle Produktionsanlagen stehen damit vielfältigen Herausforderungen gegenüber. Kleiner werdende Losgrößen und verkürzte Lieferzeiten besonders für Ersatzteile zwingen viele Unternehmen zum Umdenken. Vor diesem Hintergrund gewinnt die additive Fertigung (eng.: additive manufacturing) an Relevanz. [Breuniger et al. 2013, S. 5 ff.] Weiterlesen

Highspeed-3D-Drucker für Hochleistungskunststoffe

© Fraunhofer IWU Mit SEAM lässt sich die Additive Fertigung von Kunststoffbauteilen im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren um das Achtfache beschleunigen. Diese ultraschnelle Fertigungsgeschwindigkeit erreicht das Verfahren durch die Kombination von 3D-Druck mit dem Bewegungssystem einer Werkzeugmaschine.

Die additive Fertigung großvolumiger Kunststoffbauteile ist zeitaufwändig. Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer-Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU haben nun mit SEAM (Screw Extrusion Additive Manufacturing) ein System und Verfahren entwickelt, das im Vergleich zum herkömmlichem 3D-Druck acht Mal schneller ist. Den ultraschnellen 3D-Drucker konnten Besucher vom 1. bis 5. April 2019 erstmals auf der Hannover Messe am Fraunhofer-Gemeinschaftsstand in Aktion erleben. Weiterlesen

Digitaler Zwilling für Werkstoffe

© Fraunhofer IWM
Mit dem Datenraumkonzept Werkstoffinformationen jeglicher Art in digitale Netze integrieren – eine wichtige Basis für die Produktion im Rahmen der Industrie 4.0.

Sollen Produktionssysteme digital vernetzt und im laufenden Betrieb werkstoffgerecht verbessert werden, müssen dafür auch die Veränderungen der Werkstoffe gemessen, analysiert und abgebildet werden – im sogenannten »digitalen Materialzwilling«. Fraunhofer-Forscherinnen und -Forscher haben mit einem Werkstoffdatenraum die Grundlage hierfür geschaffen.

Rollt ein fertiges Bauteil vom Band, ist eine Frage von großem Interesse: Hat das Bauteil die gewünschten Eigenschaften? Denn oftmals reichen bereits kleinste Schwankungen in der Produktion, um Materialeigenschaften zu verändern und damit die Bauteilfunktionalität in Frage zu stellen. Um dies zu vermeiden, werden begleitend zur Produktion immer wieder Proben entnommen und aufs Genaueste untersucht. Ein solches Probenbauteil muss für Versuche in kleine Einzelteile zerlegt und vermessen werden – das benötigt viel Zeit. »Die Geschichte einer Probe verzweigt sich also in viele kleine Äste mit jeweils spezifischen Messergebnissen«, erläutert Dr. Christoph Schweizer, Leiter des Geschäftsfelds Werkstoffbewertung, Lebensdauerkonzepte am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM in Freiburg. »Expertinnen und Experten haben diese Zusammenhänge im Kopf, allerdings gab es bisher keine Möglichkeit, die resultierende, in unterschiedlichen Formaten vorliegende Datenvielfalt zusammenhängend digital abzubilden.« Weiterlesen

Synthetische Kraftstoffe: 3D-Druck soll Effizienz steigern und Kosten senken

Gastrennmembran wie sie auch im Projekt PROMETHEUS entwickelt wird
Copyright: Forschungszentrum Jülich / T. Schlößer

Die Co-Elektrolyse ist ein neuer, sehr effizienter Weg, um aus CO2 und Wasser synthetische Kraftstoffe und Chemikalien herzustellen. Dieselautos und Benziner, aber auch LKWs, Flugzeuge und Schiffe könnten mit solchen Kraftstoffen praktisch klimaneutral fahren. Zudem bieten sie sich als Energiespeicher an, um Schwankungen von Wind- und Sonnenenergie auszugleichen. Im Projekt PROMETHEUS wollen Jülicher Forscher gemeinsam mit der WZR ceramic solutions GmbH sowie der griechischen Aristoteles-Universität Thessaloniki und dem Mineralölunternehmen Hellenic Petroleum nun mittels 3D-Druck einen Membranreaktor für die Herstellung synthetischer Kraftstoffe mit extradünnen Zellen entwickeln. Dieser soll deutlich effizienter und kostengünstiger sein als bisherige Anlagen, die sich größtenteils noch in einem experimentellen Stadium befinden. Weiterlesen

Roboter-Auge mit Rundumblick

© Fraunhofer IAPT
Innovative SensePRO-Sensorik ermöglicht eine 360°-Rundumsicht für die Prozessführung und Qualitätssicherung.

Roboter können sich in alle Richtungen bewegen – aber nicht in alle Richtungen sehen. Der patentierte Lasersensor SensePRO der Fraunhofer-Einrichtung für Additive Produktionstechnologien IAPT schafft Abhilfe.

Wo bin ich? Diese Frage müssen auch Roboter beantworten, wenn sie unermüdlich Werkstücke kleben, schweißen oder Dichtungen verfugen. Denn nur wenn die Robotersteuerung auf den Millimeter genau weiß, an welcher Stelle sich der Klebe- oder Schweißkopf gerade befindet, ist das Endergebnis präzise. Der Roboter braucht also eine Art Auge. In der Automobilindustrie und vielen weiteren Branchen übernehmen das spezielle Sensoren, die mehrheitlich mit dem Prinzip der Lasertriangulation arbeiten. Eine Laserdiode wirft eine Linie aus rotem Licht auf das Werkstück, von dort wird das Licht unter einem bestimmten Winkel reflektiert und weiter in eine Kamera geworfen. Aus der Position, von der das Licht auf den Kamerachip trifft, lassen sich die Position und die Entfernung des Sensors zum Werkstück innerhalb des Koordinatensystems bestimmen. Weiterlesen

Den Spritzern auf der Spur – für mehr Hygiene und eine höhere Korrosionsbeständigkeit medizintechnischer Produkte

Abbildung 1: Querschliff einer lasergeschweißten Mischverbindung aus ferritischen und
austenitischen Edelstählen

Heutzutage haben korrosionsbeständige Stähle viele Anwendungsbereiche des täglichen Lebens erobert. So kommen diese in zahlreichen Bereichen zum Einsatz, in denen erhöhte Korrosionsgefahr durch aggressive Medien droht, aber auch für Aufgabenstellungen mit hohen hygienischen Anforderungen. Im Laufe der Zeit wurde eine Vielzahl an verschiedenen korrosionsbeständigen Stählen für spezifische Einsatzgebiete entwickelt, die sich in ihrer Legierungszusammensetzung und Gefügemorphologie teilweise deutlich voneinander unterscheiden. Dies wirkt sich auch auf die Schweißeignung der jeweiligen Werkstoffe aus, die immer dann eine Rolle spielt, wenn einzelne Bauteile im Produktionsprozess durch Schweißen zu einer Baugruppe gefügt werden sollen. Während zum Verbinden massiverer Bauteile meist das Wolfram- oder Metall-Inertgas-Schweißen sowie das Widerstandspunktschweißen Anwendung finden, wird im Bereich filigraner Produkte meist das Laserstrahlschweißen verwendet. Durch dessen konzentrierte Wärmeeinbringung bei gleichzeitig geringem Gesamtenergieeintrag können verzugsarme Schweißbaugruppen in sehr kurzen Taktzeiten hergestellt werden. Am Bayerischen Laserzentrum (blz) konnte darüber hinaus gezeigt werden, dass trotz der stark unterschiedlichen Wärmeausdehnung und Wärmeleitfähigkeit die Möglichkeit besteht, auch Mischverbindungen zwischen austenitischen und ferritischen korrosionsbeständigen Stählen herzustellen, ohne dabei die Duktilität und Festigkeit der Werkstoffe im Bereich der Schweißnaht signifikant zu verringern. Weiterlesen