Werkstoffentwicklung für die additive Fertigung

Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT entwickelt neuartige Werkstoffe für die laserbasierte additive Fertigung. Kommerziell verfügbare Legierungen wurden nicht für diese Verfahren entwickelt und können deshalb das Potenzial der additiven Herstellungsprozesse nicht ausschöpfen oder sind dafür gänzlich ungeeignet. Unsere neu entwickelten Werkstoffe bieten durch die Einstellung verbesserter mechanischer oder korrosiver Materialeigenschaften einen Mehrwert und somit einen Wettbewerbsvorteil für unsere Projektpartner.

Bei der laserbasierten additiven Fertigung wird der Werkstoff mit dem Laserstrahl lokal aufgeschmolzen. Nach der Belichtung erfolgt unmittelbar die Erstarrung. Durch die mäanderförmige Bewegung des Laserstrahls wird eine Schicht erzeugt und durch Übereinanderlegen dieser Schichten entsteht schließlich das Bauteil. Der Fertigungsprozess zeichnet sich dabei im Wesentlichen durch drei Charakteristika aus: 1. die lokal stattfindenden Prozesse im Metall aufgrund des kleinen Schmelzbades, 2. die rasche Erstarrung des Materials und 3. die zyklische Wiedererwärmung des bereits aufgebauten Volumens. Diese Charakteristika lassen sich gezielt nutzen um Materialgefüge und -eigenschaften einzustellen, die mit anderen Fertigungsverfahren nicht oder nur bedingt erzeugt werden können.

Das Fraunhofer ILT entwickelt neuartige Werkstoffe, die speziell auf die laserbasierte additive Fertigung zugeschnitten sind.

Oxid-dispersionsverfestigte (ODS)-Werkstoffe zeichnen sich durch hohe Warmfestigkeit und gute Korrosionsbeständigkeit aus. Diese Eigenschaften beruhen auf homogen in der Matrix verteilten, oxidischen Dispersoiden, die typischerweise nur einige Nanometer groß sind.  

Im klassischen Herstellungsverfahren wird hier auf die Pulvermetallurgie zurückgegriffen, die oft eine Vielzahl von Prozessschritten beinhaltet (Mischen, mechanisches Legieren, Konsolidieren, Nacharbeiten) und nur eine eingeschränkte Geometrie der Bauteile ermöglicht. Gießen scheidet als Herstellverfahren für ODS-Werkstoffe aus, da die Erstarrungsrate für eine homogene Verteilung der extrem feinen Dispersoide in der Matrix oft nicht ausreicht. Außerdem können die Dispersoide dabei agglomerieren oder auf der Oberfläche  der Schmelze aufschwimmen.

Die rasche Erstarrung bei der laserbasierten additiven Fertigung führt hingegen zu einer homogenen Inkorporation der Dispersoide in der metallischen Matrix. Mit diesem Verfahren kann die Fertigungskette so deutlich verkürzt werden. Die Herstellung erfolgt zudem endkonturnah und ermöglicht einen hohen Freiheitsgrad bei der Gestaltung der Bauteile.

Eutektische Gusslegierungen sind ein Gemisch aus einer Mischkristallphase und einer sekundären, harten Phase. Die simultane Erstarrung der beiden Phasen führt zu einer charak-teristischen, häufig lamellaren Erstarrungsmorphologie. Bei der additiven Fertigung ist der Lamellenabstand präzise einstellbar, da die eutektischen Körner um mehrere Größenordnungen bis hin zu nanoskaligen Dimensionen verfeinert werden können, was beim konventionellen Gießen nicht möglich ist. Aufgrund der schichtweisen Bauweise ist die Feinheit des Gefüges weitgehend unabhängig von der Geometrie des Bauteils. Durch die Gefügefeinung nimmt die Festigkeit zu, die Duktilität dabei aber nur mäßig ab. Bei nanoskaliger Erstarrung können sogar Festigkeit und Duktilität gesteigert werden.

Technische Verwendung finden heute fast ausschließlich die Eutektika Fe-C und Al-Si. Es existieren aber noch viele weitere Eutektika, die bisher wegen gießtechnischer Probleme nicht genutzt werden. Hierzu gehören u.a. Al- und Ti-basierte Eutektika, die als Leichtbauwerkstoffe interessant sind.

Klassische Werkstoffe, die mit der laserbasierten additiven Fertigung verarbeitet werden, müssen häufig noch zur  Einstellung der gewünschten mechanischen Eigenschaften einer nachgeschalteten Wärmebehandlung durch Auslagern oder einer Kombination von Lösungsglühen, Abschrecken  und Auslagern unterzogen werden.

Die zyklische Wiedererwärmung bereits aufgetragener Schichten kann dazu genutzt werden, eine Ausscheidungshärtung schon im Fertigungsprozess zu erreichen, die als intrinsische Wärmebehandlung bezeichnet wird. Um diese intrinsische Ausscheidung zu initiieren, muss das Legierungssystem sensitiv auf kurzzeitige Erwärmungs- und Abkühlungszyklen reagieren.

Maraging-Stähle auf Eisen-Nickel-Basis (mit Zusätzen von Al oder Ti) sind eine geeignete Werkstoffklasse. Hierbei handelt es sich um kohlenstoffarme Stähle, die zwar eine  martensitische Umwandlung bei der Abkühlung durchlaufen, aber ihre Festigkeit durch feine intermetallische Phasen erhalten, die bei einer Wärmebehandlung entstehen. Das Härteniveau ist dabei durch die Prozessbedingungen  steuerbar und kann auch lokal im Bauteil angepasst werden. Eine zeit- und kostenintensive, nachgeschaltete Wärmebehandlung wird dadurch überflüssig.