Additive Fertigung von Funktional Gradierten Materialien für den Verschleißschutz

Das Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik in Berlin erforscht die Additive Fertigung von Funktional Gradierten Materialien für Verschleiß- und Korrosionsschutzanwendungen. Damit können Bauteile mit maßgeschneiderten Eigenschaften und verbesserter Lebensdauer vollständig additiv aufgebaut oder auch nachträglich gepanzert werden.

Gastbeitrag von Raphael Marquardt, Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK.

Konventionellen Panzerungen zum Verschleiß oder Korrosionsschutz werden beispielsweise durch Laser-Pulver-Auftragschweißen hergestellt und weisen einen diskreten Materialsprung auf. Durch die Belastungen während des Betriebs gepanzerter Bauteile kann es jedoch zu Abplatzungen der Schutzschicht kommen. Diese frei umherfliegenden Splitter können zu teils gravierenden Beschädigungen oder sogar zum Ausfall der gesamten Anlage führen.

Um dieses Problem zu lösen, erforscht das Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik (IPK) die Anpassung des Übergangs vom Grundwerkstoff zur Schutzschicht. Mithilfe der additiven Fertigung kann durch eine schrittweise Änderung der Materialzusammensetzung über die Aufbauhöhe hinweg ein Materialgradient anstatt eines Materialsprungs erzeugt werden. Diese Herangehensweise wird als Funktional Gradierte Materialien (FGM) bezeichnet. Ziel ist es, die Vorteile der Einzelbestandteile zu kombinieren. Am Beispiel des Verschleißschutzes werden Bauteile maßgeschneidert dort verstärkt, wo eine Schutzschicht wichtig ist. Als Teil der metallischen 3D-Druckverfahren bietet der Directed Energy Deposition (DED) Prozess auf Pulverbasis die Möglichkeit, einen solchen Übergang mit zielgenau angepasster Materialverteilung zu fertigen.

Diese innovative Technologie bietet ein breites Spektrum an Anwendungsmöglichkeiten. FGM an sich können im gesamten Maschinenbau bis hin zur Luft- und Raumfahrt angewendet werden. Für den Verschleiß- und Korrosionsschutz mit FGM ergeben sich insbesondere vom konventionellen Maschinenbau bis hin zu spezialisierter Pumpentechnologie Anwendungsgebiete. Beispielsweise ist der Einsatz in mechanischen Entsalzungsanlagen denkbar, um die Standzeit der Bauteile zu verlängern und somit die Nachhaltigkeit bei der Trinkwassergewinnung zu verbessern. Bei vollständiger additiver Fertigung der Bestandteile wird zudem der ökologische Fußabdruck zusätzlich verringert, da von einer erhöhten Materialeffizienz profitiert werden kann und weniger Abfall anfällt. Auch eine nachträgliche Reparatur und Panzerung bereits vorhandener Bauteile ist mit dieser Technologie möglich. Die Entwicklung der additiv gefertigten FGM kann somit einen wichtigen Beitrag zu einer nachhaltigen Welt leisten.

Durch Analyse der integrierten Sensorik der Maschine soll auch die Qualitätssicherung gewährleistet werden. Hierfür bieten sich Methoden der künstlichen Intelligenz, des maschinellen Lernens oder auch mathematische Modelle an. Eine Kombination der verschiedenen Sensordaten gibt Hinweise auf wichtige Bauteileigenschaften und erlaubt somit Rückschlüsse auf die Qualität der additiv gefertigten Komponenten.
Zusätzlich zur experimentellen Entwicklung soll der Einsatz der neuen FGM auch virtuell abgesichert werden. Hierfür werden die bereits vorhandenen Fähigkeiten im Bereich Finite Elemente Simulation des DED Prozesses um ein gradiertes Materialmodell erweitert. Mehr zur Arbeit des Fraunhofer IPK finden Sie hier.