Die Forschenden am IW haben im Teilprojekt B02 eine Aluminiumlegierung entwickelt, die gegensätzliche Anforderungen erfüllen muss. Einerseits muss ihr Schmelzintervall für eine Herstellung von Metallschäumen ausreichend groß sein. Des Weiteren muss sie hinreichend umformbar sein, um durch Verfahren wie das Strangpressen zu Drähten verarbeitet werden zu können. Die Drähte sollen zudem schweißbar sein, um im Wire and Arc Additive Manufacturing (WAAM)-Verfahren eingesetzt werden zu können.
Herstellung von Metallpulver aus der Aluminiumlegierung durch Inertgasverdüsung
Da die Legierung zur Herstellung der schäumbaren Materialien pulverförmig sein muss, wird aus der entwickelten Aluminiumlegierung ein Metallpulver erzeugt. Jannes Mevert, Doktorand am IW, hat zusammen mit Studierenden eine entsprechende Prozesskette mit geeigneter Analytik erarbeitet.
Zur Pulverherstellung wird die institutseigene Inertgasverdüsungsanlage verwendet, die im Forschungsbau SCALE aufgestellt ist. Beim zugrunde liegenden Electrode Induction Melting Inert Gas Atomization (EIGA)-Verfahren wird eine hängende, rotierende Stabelektrode am unteren Ende durch eine konische Kupferspule induktiv aufgeschmolzen, wodurch die Schmelze senkrecht durch eine Ringdüse fließt. Durch diese Ringdüse wird mit Hochdruck ein Inertgasstrom auf den Schmelzestrahl gerichtet, welcher so in feine Metalltropfen zerstäubt wird, die im Flug erstarren und sphärische Partikel bilden (siehe Abbildung 1). Die Qualitätskontrolle der Pulverpartikel erfolgt mittels Laserbeugung und am Rasterelektronenmikroskop.
Pulvermetallurgische Herstellung von Aluminiumschäumen
Nach der Erzeugung des Metallpulvers erfolgt die pulvermetallurgische Herstellung von schäumbaren Halbzeugen, die später durch gezielte Wärmebehandlungen expandiert werden können. Hierzu wird das Aluminiumpulver mit dem Treibmittel Titanhydrid (TiH2) vermengt, das sich aufgrund seiner Zersetzungskinetik für Aluminiumschäume bewährt hat.
In den Grundlagenuntersuchungen erfolgte zunächst eine Bewertung des Expansionsverhaltens in Abhängigkeit der Temperatur-Zeit-Einwirkung bei der Wärmebehandlung. Das Pulver-Treibmittel-Gemisch wird dazu bei circa 800 kN zu kompakten Presslingen verdichtet. Beim Erhitzen des Halbzeugs auf Temperaturen mindestens oberhalb der Solidustemperatur des Metalls, also etwa 580 °C, beginnt dieses aufzuschmelzen und geht somit in einen viskosen Zustand über. Gleichzeitig beginnt das Treibmittel TiH2 sich zu zersetzen, wobei Wasserstoffgas freigesetzt wird, welches in Form von Gasblasen innerhalb des aufschmelzenden Presslings vorliegt. Die Gasblasen führen zu einer Expansion des Halbzeugs unter Ausbildung einer hochporösen inneren Struktur (siehe Abbildung 2).
Bei anschließendem raschen Abkühlen wird die poröse Struktur des Metalls erhalten. Wird das Halbzeug zu lange und/oder zu heiß erhitzt, so fällt der instabile Schaum anschließend wieder in sich zusammen, woraus sich ein Prozessfenster für eine maximale Expansion und Porosität sowie minimale Dichte des Schaums ergibt. Dieses zu erarbeiten und auf die nachfolgenden Herstellprozesse der anderen Teilprojekte im Transregio abzustimmen ist eine der Hauptaufgaben von Doktorand Jannes Mevert.
Prozessintegriertes Aufschäumen im additiven Fertigungsprozess
Als nächstes richtet sich der Fokus der Projektarbeit auf die Drahtentwicklung. Die geplanten Arbeiten umfassen daher vor allem die Herstellung zylindrischer Bolzen aus dem aufschäumbaren Material, welche mit der 2,5 MN-Strangpresse des IW zu drahtförmigen Halbzeugen verpresst werden sollen.
Diese aufschäumbaren Drähte sollen dazu verwendet werden, um mit drahtbasierten additiven Fertigungsverfahren wie dem WAAM verarbeitet zu werden. Dabei sollen die Drähte durch die eingebrachte Prozesswärme beim Schweißen oder eine sekundäre Wärmequelle aufgeschäumt werden, um gezielt Porositäten in dem additiv zu fertigenden Bauteil einzustellen und so lokal die Eigenschaften des Materials zu gradieren.
Dadurch könnten die Materialeigenschaften von Leichtbauteilen mit hoher Gestaltungsfreiheit auf eine völlig neue und vielfältige Weise je nach Anwendungsfall angepasst und optimiert werden.
