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Innovationssprung in der additiven Fertigung

In vielen Industriebranchen steigt die Nachfrage nach metallischen Spezialbauteilen, die leicht sind und eine hohe Festigkeit aufweisen. So benötigen etwa moderne Gasturbinen extrem stabile und gleichzeitig leichte Hitzeschilder. Ein wichtiges Herstellungsverfahren hierfür ist die pulverbett-basierte additive Fertigung von Bauteilen aus Metallen. Je nach Anwendungsfall ist dieses Verfahren – Stand heute – gegenüber der konventionellen Fertigung in puncto Stückkosten nicht immer wettbewerbsfähig. Das von der EU mit 6,8 Millionen Euro geförderte Forschungs- und Innovationsprojekt «InShaPe» hat es sich zum Ziel gesetzt, einen entscheidenden Beitrag zur Weiterentwicklung dieser Technologie zu leisten.

Bei der pulverbett-basierten, additiven Fertigung wird Metallpulver in einer äusserst dünnen Schicht auf eine Bauplattform aufgebracht. Diese Pulverschicht wird mittels eines fokussierten Laserstrahls aufgeschmolzen und verbindet sich beim Erstarren mit der darunterliegenden Materialschicht.Dieser Vorgang wird Schicht für Schicht so oft wiederholt, bis ein fertiges Bauteil entsteht. Durch den schichtweisen Aufbau können komplexe und gewichtssparende Geometrien realisiert werden. Das fertige Bauteil wird vom überschüssigen Pulver befreit und dann in der Regel, je nach Anwendung, noch nachbearbeitet.

Ziel des kürzlich gestarteten InShaPe-Projekts ist es, die metall-basierte, additive Fertigung weiterzuentwickeln. Der verbesserte Fertigungsprozess basiert auf einem optischen Hochleistungsmodul mit programmierbarer Intensitätsverteilung und KI-Techniken zur Bestimmung der optimalen Strahlform für das Zielobjekt, zum Beispiel bestimmt durch den Materialtyp und die Geometrie. InShaPe entwickelt ferner ein innovatives Prozessüberwachungs- und -steuerungssystem zur Qualitätsanalyse, das die gleichzeitige Beobachtung von Licht unterschiedlicher Wellenlängen (multispektrale Bildgebung) in den Bereich der additiven Fertigung integriert.

«Die Kombination dieser beiden neuen Technologien ermöglicht effiziente und fortgeschrittene Belichtungsstrategien, sodass selbst anspruchsvollste Fertigung komplexer Spezialbauteile auf Anhieb funktioniert», so InShaPe-Koordinatorin Katrin Wudy von der School of Engineering and Design der Technischen Universität München (TUM).

Das Konsortium, bestehend aus insgesamt zehn Partner, zu denen neben der TUM auch Eos gehört, hat sich zum Ziel gesetzt, diese Form der additiven Fertigung zu einer kommerziell breiten Fertigungstechnologie weiter zu entwickeln, die herkömmliche Herstellungsverfahren wie Druckguss in puncto Präzision und Nachhaltigkeit künftig übertreffen soll. Denn die Anpassung der Laserstrahlform und die neuen Belichtungsmöglichkeiten erlauben einen energie- und materialeffizienten Fertigungsprozess. Gleichzeitig soll die InShaPe-Innovation bei den Stückkosten, der Flexibilität und dem Fertigungsvolumen die Wettbewerbsfähigkeit der additiven Fertigung gegenüber traditionellen Herstellungsverfahren unter Beweis stellen. Durch die KI-gestützte Steuerung und Bedienung sollen darüber hinaus auch nicht-hochqualifizierte Arbeitskräfte das neue Verfahren anwenden können.

Das übergeordnete Ziel von InShaPe ist die Weiterentwicklung und Demonstration eines innovativen Pulverbettverfahrens für Metalle (PBF-LB/M) für vier industrielle Anwendungsfälle in den Branchen Luft- und Raumfahrt sowie der Energie- und Automobilindustrie.Im Vergleich zum aktuellen Stand der Technik sollen folgende Vorteile erreicht werden:

  • eine siebenmal höhere Fertigungsrate
  • über 50 Prozent niedrigere Kosten
  • 60 Prozent weniger Energieverbrauch
  • 30 Prozent weniger Ausschuss

InShaPe startete am 1. Juni 2022 und läuft bis Ende Mai 2025. Die EU fördert das Vorhaben unter dem europäischen Rahmenprogramm für Forschung und Innovation «Horizon Europe» mit 6,8 Millionen Euro. 

eos.info