Additive Fertigungsmethoden für Industrie und Medizin
Immer leichter, belastbarer und funktional vielseitiger müssen Bauteile werden, um den steigenden technischen Ansprüchen gerecht zu werden. Die additive Fertigung hybrider, poröser Bauteile ist ein vielversprechender Ansatz, um in Bereichen wie der Medizintechnik und Luftfahrt erhebliche Fortschritte zu erzielen.
Hybride Bauteile kombinieren verschiedene Materialien, die gezielt an unterschiedlichen Positionen im Werkstück eingesetzt werden, um spezifische Anforderungen wie Festigkeit, Flexibilität oder Wärmeleitfähigkeit optimal zu erfüllen.
Durch die gezielte Integration von Porosität in das Bauteil kann der Materialbedarf reduziert werden, ohne die mechanische Festigkeit wesentlich zu beeinträchtigen. Diese Leichtbauweise ist besonders nützlich, wo geringes Gewicht bei gleichzeitig hoher Stabilität entscheidend ist.
Sonderforschungsbereich zur Fertigung hybrider, poröser Bauteile
Die Kombination aus Hybridität und Porosität vereint die Vorteile beider Eigenschaften und eröffnet neue Möglichkeiten zur Funktionsintegration in einem Bauteil.
Deshalb wird nun erstmals die Fertigung hybrider, poröser Bauteile erforscht – im Rahmen des neuen Sonderforschungsbereichs/Transregio „Multifunktionale Hochleistungskomponenten aus hybriden porösen Werkstoffen“ der Rheinland-Pfälzischen Technischen Universität Kaiserslautern-Landau (RPTU) und der Leibniz Universität Hannover.
In einem Teilprojekt, das gemeinsam mit dem Lehrstuhl für Computational Physics in Engineering (CPE) an der RPTU durchgeführt wird, entwickelt das Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) Simulationsmethoden, um die durch den Fertigungsprozess entstehenden Eigenschaften dieser Bauteile vorherzusagen.
Prozesssimulation: Der Schlüssel zur Effizienz
Die Prozesssimulation ist notwendig, um das Endergebnis bereits in der Planungsphase zu prognostizieren und somit eine fundierte Prozessgestaltung zu ermöglichen. Untersucht wird das Laserauftragschweißen (L-DED), ein additives Fertigungsverfahren, bei dem ein Laserstrahl das Material in Pulver- oder Drahtform schmilzt und Schicht für Schicht aufträgt. Durch die Variation von Prozessgrößen soll eine präzise Steuerung der Materialeigenschaften erreicht werden, sodass die aufgetragenen Bereiche den Anforderungen entsprechen.
Der entscheidende Vorteil der neuen Simulationsverfahren gegenüber bisherigen Verfahren liegt in der Abbildung der räumlichen und zeitlichen Veränderungen der Bauteileigenschaften. Dadurch können physikalische und mechanische Eigenschaften wie die Temperaturentwicklung während der Bearbeitung und die Eigenspannungsverteilung im Bauteil vorhergesagt werden. Dies ermöglicht, den Fertigungsprozess so anzupassen, dass er den hohen Anforderungen an Qualität und Effizienz gerecht wird. Gleichzeitig wird die Flexibilität gewährleistet, unterschiedliche Materialien und Porosität in einem einzigen Bauteil zu kombinieren.
Durch die Simulation können die Eigenschaften der Bauteile vorhergesagt werden, sodass auf aufwendige Testphasen an physischen Prototypen verzichtet werden kann. Dies ermöglicht es, die richtigen Parameter direkt in den Produktionsprozess zu integrieren, was die Produktionszeiten verkürzt und langfristig eine schnellere Markteinführung der Produkte ermöglicht.
Herausforderungen der Prozesssimulation
Die Herstellung hybrider, poröser Bauteile erfordert innovative Ansätze. Dabei stehen drei zentrale Herausforderungen im Fokus:
Komplexität der Prozesse
Die Herstellung hybrider, poröser Bauteile erfordert die Berücksichtigung aller relevanten Aspekte des Fertigungsprozesses. Dazu gehören die mikroskopischen Wechselwirkungen während des Schmelzens, die Temperatur- und Eigenspannungsverteilung innerhalb des Bauteils sowie die mechanischen und thermischen Eigenschaften des gefertigten Bauteils. Diese ganzheitliche Betrachtung ist notwendig, um Bauteile zu fertigen, die nicht nur leicht und stabil, sondern auch optimal auf die jeweiligen Einsatzbedingungen abgestimmt sind.
Bedarf an Rechenressourcen
Die Entwicklung präziser Simulationsmodelle und geeigneter Fertigungsverfahren erfordert hohe Rechenkapazitäten. Die detaillierte Analyse großer Bauteile ist besonders ressourcenintensiv. Daher ist die Entwicklung effizienter Algorithmen und Methoden, die den Speicherbedarf und die Rechenleistung reduzieren, von zentraler Bedeutung. Dies ist notwendig, um die Simulation hybrider, poröser Bauteile auch in großem Maßstab wirtschaftlich zu gestalten.
Fehlende Herstellungsverfahren und Simulationsmethoden
Die Kombination unterschiedlicher Materialien und die gezielte Integration von Porenstrukturen stellen besondere Anforderungen an die Simulation und Fertigungstechnik. Derzeit fehlen geeignete Simulationsmethoden, die die komplexen Wechselwirkungen in hybriden, porösen Bauteilen abbilden können. Im Rahmen des Projekts werden spezifische Prognosemodelle und Verfahren entwickelt, um die Herstellung solcher Bauteile effizient und zuverlässig zu gestalten.
Langfristige Ziele der Fertigungstechnik
Trotz der aktuellen Herausforderungen, wie der Komplexität der Prozesse und dem hohen Bedarf an Rechenressourcen, zielt das Projekt darauf ab, in den kommenden Jahren wesentliche Fortschritte in der Fertigungstechnik zu erzielen. Die Entwicklung einer umfassenden Simulationsumgebung, die alle wichtigen Aspekte des Fertigungsprozesses integriert, wird es ermöglichen, die Fertigung hybrider, poröser Bauteile mit neuen Funktionalitäten effizienter zu planen.
Künftig sollen nicht nur Materialien und mechanische Eigenschaften präzise eingestellt werden können, sondern auch Sensoren und Aktoren direkt in die Bauteile integriert werden. Darüber hinaus soll die gezielte Steuerung magnetischer Eigenschaften ein wesentlicher Bestandteil der Weiterentwicklung sein. Diese technologischen Fortschritte werden die Lebensdauer der Bauteile verlängern, ihre Leistungsfähigkeit erhöhen und gleichzeitig die Fertigung nachhaltiger und kosteneffizienter gestalten.
