Werkstoffe

Vom Werkstoff zum Bauteil mit System

Die Materialforschung liefert Antworten auf die aktuellen Fragen in den Bereichen Energie, Gesundheit, Mobilität, Informations- und Kommunikationstechnologien sowie beim Bauen und Wohnen. Moderne Leichtbaumaterialien sparen Kosten und Energie, keramische Mikrobrennstoffzellen versorgen elektronische Geräte, und neue Werkstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen entlasten die Umwelt.

Im Bereich der generativen Fertigung konzentrieren sich die Institute der Allianz auf die Neuentwicklung von Werkstoffen, technologiespezifische Werkstoffadaption und -herstellung sowie Generierung erwünschter Produkteigenschaften mit folgenden Materialien:

  • Metalle – Stähle, Titan und Aluminium
  • Keramiken – Oxide, Carbide, Silikate und bioaktive Keramiken
  • Kunststoffe – Polymere und thermoplastische Werkstoffe

Darüber hinaus bietet Ihnen die Fraunhofer-Allianz Generative Fertigung individuell angepasste Materialien für Ihre Anwendungen, einzelne Prozesse sowie gesamte Prozessketten – auch unter Berücksichtigung konventioneller Technologien.

weitere Informationen

Keramische Werkstoffe und deren Zusammensetzung

Bauteile aus keramischen Werkstoffen lassen sich durch alle gängigen generativen Verfahren herstellen, selbst aus dichten und porösen Keramiken,  wie aktuelle Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zeigen. Mit Ausnahme des selektiven Lasersinterns schließt sich nach der generativen Formgebung ein konventioneller thermischer Prozess zur Entbinderung und Sinterung an. Die generative Fertigung von Keramiken dient vor allem zur Herstellung funktionaler Komponenten in Form von Prototypen, Kleinserien oder individueller Bauteile, ist aber im Vergleich zu Polymeren und Metallen mit weitaus größeren werkstofflichen und technologischen Herausforderungen verbunden. Die Werkstoffauswahl richtet sich nach den jeweiligen Anforderungen der gewünschten Anwendung: Neben den Oxidkeramiken (z. B. Al2O3, ZrO2), Nitriden (z. B. Si3N4, AlN) Carbiden (z. B. SiC, TiC) lassen sich auch silikatkeramische Bauteile (z.B. Cordierit, Porzellan) oder bioaktive Keramiken (Ca-Phosphate) sowie Keramikbauteile aus Verbundwerkstoffen oder mit gradiertem Werkstoffgefüge generativ aufbauen.

Aktuelle Entwicklungen

Formkörper aus bioaktiver Keramik

Mittels 3D-Pulverdruckverfahren werden komplex geformte, individuelle Bauteile aus Hydroxylapatit (HAP) hergestellt. Voraussetzungen für die Generierung von HAP-Formkörpern sind die Modifizierung des Ausgangspulvers und die Anpassung des Bindersystems bzw. der Druckflüssigkeit. Nach der Sinterung der gedruckten Keramiken sind diese als bioaktives Implantat einsetzbar. Die applikationsrelevanten Formkörper in den Bildern 1 und 2 belegen die Leistungsfähigkeit dieses generativen Verfahrens für die Fertigung komplexer dreidimensionaler Hydroxylapatit-Strukturen für bioaktive Implantate. Kanäle und Makroporen können über den Druckprozess realisiert werden, während die Mikroporosität durch das Ausgangspulver und die Sinterbedingungen eingestellt werden kann. In gleicher Weise wie für HAP können bioaktive Keramikformkörper aus anderen Calciumphosphaten hergestellt werden.

3DP-HAP 3DP-HAP Unterkiefer
Bild 1 Bild 2

Festigkeitssteigerung bei lasergesinterten SiC

Für den Werkstoff SiSiC wird eine Prozesskette genutzt, bei der der Formkörper mittels selektiven Lasersintern aus dem Pulverbett generiert wird und anschließend durch Pyrolyse- und Infiltrationsschritte das SiSiC-Werkstoffgefüge erzeugt wird. Wie für alle generativen Verfahren gilt auch für das Lasersintern, dass die erreichbaren Werkstoffeigenschaften der Keramik einem kritischen Vergleich mit den Eigenschaften standhalten müssen, die mit konventionellen Herstellungsverfahren erzielt werden. Werden an den spezifischen Prozess angepasste SiC-Ausgangspulvermischungen verwendet und außerdem Kohlenstoff-Pulver zugesetzt, so lassen sich mit der eingangs genannten Prozesskette über Lasersintern Werkstoffeigenschaften (Festigkeit, E-Modul) erzielen, die auf demselben Niveau liegen, wie sie mit herkömmlichen Verfahren erreicht werden. Diese verfahrens- und werkstoffseitige Entwicklung ist die Basis für die Herstellung anwendungsrelevanter SiC-Bauteile mittels Lasersintern.

Werkzeugeinsatz für Kunststoffspritzguss

Innere Kühlkanäle und eine komplex strukturierte Oberfläche kennzeichnen einen Spritzguss-Werkzeugeinsatz aus SiSiC, der mit selektiven Lasersintern (SLS) hergestellt wurde. Die SiSiC-Keramik schwindet nicht während des Herstellungsprozesses, so dass eine hohe Konturgenauigkeit ohne Nachbearbeitung erreicht wird. Durch eine Kombination des klassischen SLS-Verfahrens und des Lasermikrosinterns (in Kooperation mit der Hochschule Mittweida) ist ein hybrider Aufbau des Bauteiles möglich. Bereiche der Werkzeugoberfläche können mit geringer Schichtdicke so generiert werden, dass sie eine hohe Oberflächengüte, hohe Festigkeit und Detailgenauigkeit aufweisen. Der Grundkörper kann dagegen mit größeren Schichtdicken kosten- und zeitsparend aufgebaut werden. Der keramische Werkzeugeinsatz für das Spritzgießen von Kunststoff zeichnet sich durch eine hohe Verschleißfestigkeit und lange Standzeit aus.

Unsere Leistungen

Herstellverfahren für keramische Werkstoffe

Die Allianz Institute entwickeln pulverbasierte Herstellungsverfahren für keramische Komponenten und Systeme. Im Labor- und Technikumsmaßstab werden prototypische Lösungen erarbeitet, Kleinserien gefertigt und bei Bedarf in eine Pilottechnologie übertragen.

Wertschöpfung reicht dabei von der Aufbereitung von Pulvern und Rohstoffen, über die Formgebung, Sinterung, Bearbeitung im grünen und gesinterten Zustand bis hin zu Verbindungs- und Integrationstechniken. Neben den direkten generativen Verfahren werden Formgebungstechnologien wie Pulverspritzguss, oder Vakuumgießen in Kombination mit Rapid-Prototyping-Prozessketten genutzt.

Lasersintern keramische Werkstoffe

In der Allianz sind die Arbeiten zum Lasersintern aus dem Pulverbett fokussiert auf die Entwicklung von Funktionsmustern für ausgewählte Keramikwerkstoffe sowie verfahrensseitige und werkstoffliche Machbarkeitsstudien. Das Lasersintern wird allem für keramische Materialien qualifiziert, die sich nach dem generativen Prozess durch Reaktionssintern oder Glasinfiltration weiter verdichten lassen.

Mit angepassten Prozessparametern werden funktionale Prototypen gefertigt, welche sich durch hohe Formentreue und Maßgenauigkeit auszeichnen. Das Beispiel des Werkstoffes SiSiC zeigt, dass die Werkstoffeigenschaften lasergesinterter Keramikbauteile auf dem selben, hohen Niveau liegen können, wie die der der konventionell hergestellten Keramiken.

Dreidimensionale Drucktechnik (3D-Druck) für keramische Werkstoffe

Für das 3D-Drucken aus dem Pulverbett werden geeignete Binder und Druckflüssigkeiten entwickelt sowie die Keramikpulver für den Druckprozess konditioniert. Prozess- und werkstoffseitige Entwicklungen sind auf die Herstellung komplexer Formkörper gerichtet, die nach der Sinterung je nach Applikationsanforderungen ein dichtes oder poröses Werkstoffgefüge aufweisen.

Mit einem innovativen Verfahrens- und Anlagenkonzept unter Nutzung hochdisperser, keramischer Suspensionen sollen neue Anwendungspotentiale für die 3D-Drucktechnik erschlossen und dichte Keramiken mit exzellenten Werkstoffeigenschaften hergestellt werden.

Polymere Werkstoffe

Polymere Werkstoffe finden als Photopolymere für stereolithografische Prozesse, als Strangmaterial für das 3D-Drucken oder in Pulverform zur Verarbeitung mit Lasersinterprozessen Anwendung. Allen generativen Prozessen ist gemein, dass die Werkstoffauswahl für den Anwender stark eingeschränkt ist, wenn als Vergleich die Werkstoffvielfalt im Spritzguss herangezogen wird. Es handelt sich oft um hoch spezialisierte Werkstoffe, deren spezifische Eigenschaften die Verarbeitung - beispielsweise im Lasersinterprozess - erst ermöglichen. Entwicklungsbemühungen konzentrieren sich daher einerseits darauf, weitere Werkstoffe für die Verfahren zugänglich zu machen und andererseits die Verfahren weiterzuentwickeln, mit dem Ziel, Standardpolymere verwenden zu können.

Polymere für das Selektive Lasersintern (SLS)

Das Verfahren des Selektiven Lasersinterns ermöglicht die generative Herstellung von Polymerbauteilen mit spritzgussähnlichen Eigenschaften. Es ist daher ein wichtiges Verfahren für Funktionsbauteile. Die Werkstoffe werden hier als feines Pulver eingesetzt. Das Werkstoffangebot ist - wenngleich das Verfahren bereits etabliert ist - stark eingeschränkt. Es kommen überwiegend Polyamide zum Einsatz. Neben naturfarbenen Standardpulvern, werden modifizierte Typen angeboten, die beispielsweise eine höhere Flammbeständigkeit aufweisen (Einsatz in Elektronikbranche) oder elastische Eigenschaften besitzen, um sich dem Werkstoffverhalten anderer Polymere anzunähern.

Aktuelle Entwicklungen

Neue Werkstoffe für das SLS-Verfahren

Aktuelle Entwicklungen im Bereich des selektiven Lasersinterns befassen sich mit der Erschließung weiterer Polymerwerkstoffe für dieses Verfahren. Der Markt verlangt nach "authentischen" Werkstoffen. Bislang werden mechanische Eigenschaften von Polyamidpulvern modifiziert, um das Werkstoffempfinden anderer Polymer zu simulieren. Im Fokus der Entwicklungsbemühungen stehen die sogenannten Commodities, beispielsweise Polyolefine, welche den Eingang in den Massenmarkt versprechen. Gleichzeitig werden leistungsfähige technische Polymere erprobt, die mit marktüblichen Maschinen verarbeitbar sind. Hierbei sind neben pulvertechnologischen Kennwerten insbesondere die Rheologie der Polymere, die Kinetik des Schmelz- und Kristallisationsprozesses und der Energieeintrag zu optimieren.

Bionic Manufacturing

Generative Verfahren sind dadurch gekennzeichnet, dass Bauteile Schicht für Schicht entstehen. Es bestehen daher Analogien zu natürlichen Wachstumsprozessen biologischer Werkstoffe, wie beispielsweise Knochen, Zahnschmelz, Perlmut. Trotz eingeschränktem Werkstoffangebot ermöglicht die Natur vielfältige Werkstoffeigenschaften die technischen Systemen oftmals überlegen sind. Erreicht wird dies durch selektive Modifikationen und hierarchische Strukturierungen der Werkstoffe. Ein aktuelles Forschungsprojekt hat das Ziel diese Prinzipien auf generative Verfahren zu übertragen. Dazu werden Verfahren des selektiven Lasersinterns mit Drucktechniken kombiniert.

Neue Verfahren zur Herstellung feiner Polymerpulver

Heute am Markt verfügbare Polymerpulver werden über aufwändige Fällungsverfahren gefertigt. Wenige Werkstoffe werden mechanisch durch Tiefkältezerkleinerungsprozesse hergestellt. Ein in wirtschaftlicher und technischer Hinsicht aussichtsreiches Verfahren ist das Hochdruckschmelzesprühverfahren, bei dem die Polymere im schmelzeflüssigen Zustand unter Einfluss von überkritischem Kohlendioxid (scCO2) zu feinen sphärischen Pulvern zerstäubt werden. In einem aktuellen Forschungsverhaben wird das Verfahren entwickelt und Polymerpulver in der Anwendung erprobt.

Unsere Leistungen

Spezialwerkstoffe - Kreativ bis ins Kleinste

Thermoplastische Kunststoffe und Naturstoffe, wie Holz und Leder lassen sich in Bezug auf neue Anwendungen, Umweltaspekte, neuartige oder verbesserte Eigenschaften maßschneidern. Durch die Ausrüstung mit additiven, funktionellen Nano- und Mikropartikeln, Mikrokapseln und -hohlkugeln oder Hydrogelen lassen sich vielfältige Funktionen implementieren.

Auf Basis kundenspezifischer Anforderungen, neuester Ergebnisse der Werkstoffforschung oder natürlicher Vorbilder entwickeln die Allianz Institute Strategien für neue Werkstoffe und prüfen ihre industrielle Umsetzbarkeit unter ökologischen und ökonomischen Aspekten.

Metallische Werkstoffe - Pulvertechnologie

Das Laserstrahlschmelzen ist ein direktes Fertigungsverfahren, bei dem die gewünschten Teile in einem einstufigen Prozess im metallischen Serienmaterial entstehen. Die Bauteile sind nach Beendigung des Laserstrahlschmelzprozesses lediglich von nicht aufgeschmolzenem Pulvermaterial und - je nach Bauteilgeometrie und Ausrichtung der Bauteile im Bauraum - von etwaiger Stützstrukturen zu befreien. Die Palette der verarbeitbaren Werkstoffe umfasst Edel- und Werkzeugstahl, Aluminium, Titan, Kobalt-Chrom oder Nickel-Basis-Legierungen. Auf Wunsch ist zudem die Entwicklung und Qualifizierung weiterer Werkstoffsysteme nach Kundenanforderung möglich.

Verarbeitbare Werkstoffe  
Werkzeugstahl (1.2709) zur Herstellung von Werkzeug- und Formkomponenten sowie hochbeanspruchten Bauteilen
Edelstahl (1.4414) zur Herstellung von säure- und rostbeständigen Bauteilen oder Werkzeugkomponenten für Vorserienwerkzeuge
Titan (TiAl6V4) zur Herstellung von Leichtbauteilen, z. B. für Luft- und Raumfahrtanwendungen, und medizintechnischen Anwendungen, z.B. Implantaten
Aluminium (AlSi10Mg, AlSi12) Pulverwerkstoff, der bei hoher mechanischer und dynamischer Belastung einsetzbar ist und sich somit optimal für den Bau von technischen Prototypen oder Kleinserien aus Aluminium eignet
Nickel-Basis-Legierung (IN718) zur Herstellung von hitzebeständigen Bauteilen in der Energieerzeugungs- sowie Luft- und Raumfahrtindustrie
Kobalt-Chrom zur Herstellung von Dentalprothesen und medizinischen Implantaten

Unsere Leistungen

Pulvertechnologie

Pulverförmige Stoffe sind das Ausgangsmaterial zur Herstellung einer extrem vielfältigen Palette von technischen Produkten und Gebrauchsgegenständen.

Die Allianz-Institute entwickeln Technologien und Prozessketten zur Herstellung, Modifizierung und Verarbeitung von Pulvern zu komplexen Bauteilen. Die Arbeiten zielen insbesondere auf die kostengünstige Integration von Funktionen in Bauteilen und Strukturen. Die Lösungen finden in vielen Branchen Anwendung.

Dreidimensionale Drucktechnik (3D-Druck) für metallische Werkstoffe

Dieser Ansatz, die 3D-Drucktechnik auch auf den Metallbereich auszudehnen, hat sich bisher am Markt nicht durchgesetzt. Nichtsdestotrotz sind Nischenanwendungen denkbar, bei denen die Vorteile des 3D-Druckens gewinnbringend genutzt werden können - hier insbesondere die Möglichkeit, ohne Stützkonstruktionen auszukommen. Zudem kann der 3D-Druck nach wie vor dort interessant sein, wo z.B. spezielle Materialien bisher nicht im Laserschmelzverfahren verarbeitet werden können.

Laserstrahlschmelzen

Die Fertigung metallischer Komponenten mittels Laserstrahlschmelztechnologie ermöglicht es den Instituten der Allianz, ihren Industriepartnern neue Wege in der Entwicklung und Fertigung innovativer Bauteile aufzuzeigen. Die Laserstrahlschmelztechnologie gehört zur Gruppe der generativen Fertigungsverfahren. Die Bauteile werden direkt auf Basis von 3D-CAD-Daten aus pulverförmigen Serienwerkstoffen schichtweise aufgebaut ("generiert"). Das Pulver wird hierbei durch einen Laser lokal vollständig aufgeschmolzen und erhält nach Erstarrung ein 99,5 bis 100 Prozent dichtes Gefüge. Aufgrund des schichtweisen, werkzeuglosen Aufbaus der Bauteile bietet dieses Verfahren nahezu unbegrenzte gestalterische und konstruktive Freiheit und ermöglicht dadurch die Fertigung beliebig komplexer Geometrien und Strukturen aus metallischen Werkstoffen. Die Anwendungen des Laserstrahlschmelzens sind vielfältig, von der Herstellung von Ur- und Umformwerkzeugen mit konturnahen Kühlkanälen über die Fertigung hochkomplexer und -beanspruchter Komponenten bis hin zur Fertigung patientenspezifischer Implantate.