Mittels Verfahren der additiven Fertigung wollen Forschende der Rheinland-Pfälzischen Technischen Universität (RPTU) gemeinsam mit der Leibniz Universität Hannover neuartige Hochleistungskomponenten aus HyPo-Werkstoffen entwickeln. HyPo-Werkstoffe sind hybrid und besitzen die Eigenschaft, besonders porös zu sein, also eine lokal variierende Dichte aufzuweisen. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert den Sonderforschungsbereich HyPo für vier Jahre mit rund 12,65 Mio. Euro. Die Hälfte der Mittel fließt an die federführende RPTU.
Inhaltsverzeichnis
1. Integrierte Sensorik liefert Aufschluss über Zuverlässigkeit
2. Koordiniertes Programm zur additiven Fertigung
3. Mit HyPo-Werkstoffen Schicht für Schicht zum Hochleistungsbauteil
4. Bauteil warnt, wenn es einen kritischen Zustand erreicht
HyPo-Komponenten bestehen aus einer Kombination unterschiedlicher Werkstoffe und weisen eine lokal variierende Dichte auf, etwa in Form von Poren. Sie sind dadurch sehr anpassungsfähig. Die Variabilität in der Dichte ermöglicht beispielsweise eine erhebliche Gewichtsreduzierung in Bereichen, die gering beansprucht sind.
Damit sind Komponenten bei dynamischen Belastungen weniger träge und arbeiten schneller, was Potenzial zur Effizienz- und Leistungssteigerung eröffnet. Ebenso ist es möglich, die Materialeigenschaften so einzustellen, dass stark belastete Bereiche eine besonders hohe Festigkeit erhalten.
Integrierte Sensorik liefert Aufschluss über Zuverlässigkeit
Das Team im neuen Sonderforschungsbereich wird neuartige Verfahren der additiven Fertigung (3D-Druck) nutzen, um multifunktionale HyPo-Komponenten zu entwickeln, die neben Porosität und einem speziellen Werkstoffgemisch noch eine weitere Eigenschaft mitbringen: integrierte Sensorik, die – über messbare Zustandsveränderungen des Materials – Aufschluss über Zuverlässigkeit der Bauteile liefert.
Die Kombination dieser drei Funktion in einer Komponente sei bislang einmalig, heißt es. Der Fokus liege auf der Entwicklung von metallischen HyPo-Bauteilen, denen eine besonders große technische Bedeutung zukomme.
„Für diese Forschungsaufgabe bringen wir die notwendigen Infrastrukturen und Kompetenzen mit“, sagt Professor Dr. Werner R. Thiel, Vizepräsident für Forschung an der RPTU in Kaiserslautern. „Im universitären Profilbereich Advanced Materials Engineering konnten wir bereits die komplexen Zusammenhänge von Werkstoff, Fertigungsprozess, resultierender Mikrostruktur und den dadurch bestimmten Anwendungseigenschaften umfassend untersuchen.“
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Koordiniertes Programm zur additiven Fertigung
Professor Dr.-Ing. Jan C. Aurich, Leiter des Lehrstuhls für Fertigungstechnik und Betriebsorganisation an der RPTU, ist Sprecher des Sonderforschungsbereichs, den er gemeinsam mit der Leibniz Universität Hannover auf den Weg gebracht hat. „In diesem koordinierten Programm zur additiven Fertigung können wir die Sicht unterschiedlicher Partner und Fachdisziplinen zusammenbringen“, erklärt der Ingenieur. „Zugleich decken wir die gesamte Prozesskette von der Werkstoffauslegung und Produktentwicklung bis zur Fertigung und Qualitätskontrolle ab.“
Als Demonstrator wird ein Fräszentrum dienen, eine vielseitige Produktionsmaschine, an der die Forscher stark belastete Bauteile sukzessive gegen die von ihnen entwickelten und gefertigten Hochleistungskomponenten austauschen. „So können wir feststellen, ob und um welchen Faktor die Arbeitsvorgänge schneller werden, der Energiebedarf sinkt und vieles mehr.“
Anwendung könnten die Hochleistungskomponenten beispielsweise in Werkzeugmaschinen, Flugzeugen oder Windkraftanlagen finden, wo dynamische Belastungen von Bauteilen kontinuierlich gegeben sind und es auf schnelle Bewegungen ankommt.
Mit HyPo-Werkstoffen Schicht für Schicht zum Hochleistungsbauteil
Für die Herstellung der HyPo-Komponenten werden die Forschenden additive Fertigungsverfahren nutzen, die eine große Designfreiheit bieten. Das Material wird dabei Schicht für Schicht aufgetragen. „Die Kolleginnen und Kollegen in Hannover haben ein additives Verfahren entwickelt, mit dem sich metallische Schäume herstellen lassen“, erläutert Prof. Aurich.
Aufgrund der Poren lassen sich Dichte und damit Festigkeit und Gewicht des Hypo-Werkstoffs variieren. „In Kaiserslautern wollen wir mit einem anderen additiven Verfahren den Schaumkern mit einer Metallschicht umhüllen, um die Komponenten nach außen zu schließen. Dabei werden wir mit Schichten aus verschiedenen Stahllegierungen arbeiten, um so an jeder Stelle das für die individuelle Belastung optimale Material einsetzen zu können.“
Bauteil warnt, wenn es einen kritischen Zustand erreicht
Die integrierte Sensorik bringen die Komponenten ebenso direkt mit. „Die Belastung im Arbeitseinsatz verändert die Materialstrukturen“, ergänzt der Ingenieur. „Diese Änderungen sind messbar. Somit warnt uns das Bauteil vor, wenn es einen kritischen Zustand erreicht. Das erhöht die Ausfallsicherheit und Zuverlässigkeit von Maschinen und Anlagen.“
Der Sonderforschungsbereich trägt den Zusatz „Transregio“, weil die RPTU das Vorhaben mit einer weiteren Hochschule beantragt hat und umsetzen wird. Co-Sprecher des Vorhabens ist Professor Dr.-Ing. Hans Jürgen Maier, der das Institut für Werkstoffkunde an der LUH verantwortet. (jpk)
