Projektbeispiele zum Forschungsthema WERKSTOFFE

Entwicklung neuer Materialien für das SLS

© Foto Fraunhofer IWM

Das selektive Lasersintern (SLS) erzeugt Bauteile mit den höchsten Materialeigenschaften unter den 3D-Druckverfahren für Polymere.

Zur Erweiterung der Materialpalette werden in dem Projekt Lasergestützter Aufbau von kundenindividueller Fußbekleidung (LAuF) von den Projektpartnern neue Varianten vom thermoplastischem Polyurethan (TPU) entwickelt

Die Materialien werden am IWM hinsichtlich ihrer mechanischen und tribologischen Eigenschaften charakterisiert. Dabei werden in Zusammenarbeit mit den Partnern Parameterstudien durchgeführt und Versagensmechanismen unter tribologischer und ermüdender Belastung erarbeitet.

Die Ergebnisse dienen dazu, Produkte aus dem Orthopädiehandwerk durch 3D-Druckverfahren fertigen zu können.

Projekte:

 LAuF, unterstützt durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung, Förderkennzeichen (BMBF: 03XP0010A-F)

Kontakt:

Dr. Tobias Ziegler, tobias.ziegler@iwm.fraunhofer.de, +49 761 5142 367  

Branchenlösung 

Design funktionaler Materialien am Beispiel pantographischer Strukturierung

Funktionale Materialien ermöglichen es gesteigerte Materialanforderungen gezielt zu erfüllen

© Foto Fraunhofer EMI

Es wurden pantographisch strukturierte Materialien als Beispiel für ein funktionales Material modelliert, additive gefertigt und getestet.

Eine Strukturierung und Formgebung von funktionalen Materialien lässt sich durch Additive Fertigung mit einer bisher nicht vorhandenen Flexibilität und Freiheit bewerkstelligen.

Die für generative Fertigungsverfahren typische inkrementelle Werkstoffgenerierung ermöglicht die individuelle Beeinflussung der Eigenschaften von kleinskaligen Teilbereichen des Materials

Dies ermöglicht bei Metallen die gezielte Beeinflussung der Metallurgie und außerdem das generieren geometrischer, mechanischer und werkstoffwissenschaftlicher Eigenschaften in verschiedenen Ebenen der Betrachtung.

Die pantographisch strukturierten Materialien haben in ersten Untersuchungen ein enormes potential hinsichtlich gesteigerter Elastizität und Versagensdehnung gezeigt – bis zu 10x höher als das Ausgangsmaterial.

Es werden weiterführende Anwendungspotenziale für technische Lösungen untersucht.

Publikation:

Spagnuolo, M., Pfaff, A., et al. „Qualitative pivot damage analysis in aluminum printed pantographic sheets: numerics and experiments”, Mechanics Research Communications, 2017, To be published

Kontakt:

 Aron Pfaff, aron.pfaff@emi.fraunhofer.de, +49 761 2714 522

Branchenlösung

Additive Herstellung von bioartifiziellen Geweben

© Foto Fraunhofer IGB

3D Druck von hydroxyapatit-haltiger Biotinte: die Formulierung unterstützt die osteogene Differenzierung von mesenchymalen Stammzellen(Bild 1), 3D gedruckte Hydrogelmatrix, in welcher von oben nach unten sowohl die Quellfähigkeit als auch die Festigkeit ansteigen – ein typisches Charakteristikum von Gelenkknorpel (Bild 2), Gelatine-basierte Biotinte, die mit reifen Adipozyten beladen ist, wird in eine Bioreaktorkammer dispensiert (Bild 3)

Das Fraunhofer IGB bietet die Entwicklung von biomimetischen Biomaterialien auf der Basis  natürlicher Bestandteile der extrazellulätren Gewebematrix.

Wir entwickeln dreidimensionale gewebespezifische Matrices aus vernetzbaren Biomolekülen wie beispielsweise Gelatine, Hyaluronsäure sowie mineralischen Komponenten wie Hydroxyapatit welche die dreidimensionale Matrix verschiedener Gewebe imitieren und so den Erhalt der Funktionalität und die Differenzierung unterschiedlicher Gewebezellen unterstützen.

Mit unserem Knowhow zur Formulierung von prozessierbaren Gewebematrizes unterstützen wir Sie bei der Entwicklung von  Bioprinting-Prozessen oder von Verfahren zur automatisierten Herstellung von künstlichem Gewebe.

Projekte:

DynaImplant (FhG), Artivasc-EU

Publikation:

A. Wenz et al. Hydroxyapatite-modified gelatin bioinks for bone bioprinting. BioNanoMaterials. 17: 179, 2016.

B. Huber et al., Methacrylated gelatin and mature adipocytes are promising components for adipose tissue engineering. J Biomater Appl;30(6):699-710., 2016.
S. Stier et al. Development of ECM-mimicking hydrogel bioinks and fabrication of zonal cartilage equivalents by dispensing technology, 2017 -  Manuscript in Preparation

Links:

www.artivasc.eu; https://www.youtube.com/watch?v=kkJZqFBw48E&feature=youtu.be

Kontakt:

Dr. Achim Weber, 0711 970-4022,  achim.weber@igb.fraunhofer.de

Branchenlösung

 

Platin-Rhodium-Brennkammer für Raumfahrtanwendung

© Foto Fraunhofer IGCV

Einsatz von Spezialwerkstoffen in der Raumfahrt unumgänglich

Additive Fertigung bietet neues Potenzial zur Umsetzung funktionsoptimierter Designs

Brennkammer aus Pt-Rh 80-20

Gewähltes Vorgehen im Projekt: Pulverauswahl und -qualifizierung, Parameterentwicklung zur Anwendung einer Pt-Legierung für AM, Fertigung eines Demonstratorbauteils, Bauteilheißtest

Erfolgreiche Durchführung eines Heißtests der AM-Brennkammer bei Airbus in Lampoldshausen

Steigerung der Wirtschaftlichkeit und der Performance möglich

Übertragung auf weitere Pt-Legierungen

Publikation:

F. Riß, D. Jaschik: Einsatz der Additiven Fertigung zur Herstellung von Brennkammern und Düsen aus Edelmetallen für Satellitentriebwerke, Rapid.Tech, 2015.

Links:

http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Engineering_Techn%20ology/Hot_firing_of_world_s_first_3D-printed_platinum_thruster_chamber

Kontakt:

Dr.-Ing. Christian Seidel, christian.seidel@igcv.fraunhofer.de, +49 821 90678-127

Branchenlösung

Wärmenachbehandlungsstrategien für das LBM

© Foto Fraunhofer IGCV

Laserstrahlschmelzen führt zu einer rasche Erstarrung, es sind einzelne Schmelzbahnen erkennbar. Durch unterschiedliches Auflösungs- und Ausscheidungsverhalten ergeben sich unterschiedliche Wärmebehandlungsparameter

Im Rahmen des Projektes werden Probekörper aus AlSi10Mg und 17-4PH durch Laserstrahlschmelzen gefertigt, wärmebehandelt und abschließend werkstoffkundlich analysiert.

Durch systematische Versuchsplanung werden die Wechselwirkungen zwischen dem Laserstrahlschmelzen, der Wärmebehandlung und den resultierenden Materialeigenschaften aufgezeigt.

Auf Basis dieser wissenschaftlichen Vorgehensweise werden spezifische Wärmebehandlungsvorschriften für laserstrahlgeschmolzene Bauteile aus AlSi10Mg und 17-4PH abgeleitet, welche einen direkten industriellen Nutzen darstellen

Kontakt:

Dr.-Ing. Georg Schlick, georg.schlick@igcv.fraunhofer.de, +49 821 90678-179

Branchenlösung

µForm - Additive Fertigung von Formelektroden aus Hartmetall (WC/Co)

© Foto Fraunhofer IPK

Motivation

EDM von schwer zerspanbaren Werkstoffen

Erweiterung der Grenzen der konventionellen Elektrodenfertigung

Schwerpunkte

Werkstoffanalyse und Optimierung der Fertigungsparameter für das Strahlschmelzen

AM von individualisierten Werkzeugelektroden mit integrierten
Spülkanälen und hohen Aspektverhältnissen

Auslegung des SLM- und EDM-Prozesses

Zielsetzung

Prozesskette zur Elektrodenfertigung

Verbesserung der Prozessbedingungen beim Funkenerodieren:

Abtragsrate hoch, Verschleiß runter 

Publikation:

E. Uhlmann, A. Bergmann, W. Gridin: Investigation on Additive Manufacturing of Tungsten Carbide-cobalt by Selective Laser Melting. In: Procedia CIRP, Vol. 35, Page 8-15, 2015

Links:

http://www.sciencedirect.com/science/journal/22128271/35

Produktblatt:  

μForm - Mikrofunkenerosion mittels generativ gefertigter Formelektroden

Kontakt:

André Bergmann, andre.bergmann@ipk.fraunhofer.de, +49 (0)30 / 3 90 06-107

Branchenlösung

Integration eines Pastenextruders in Laser-Strahlschmelzanlage

Prozessentwicklung für die additive Multimaterialfertigung

© Foto Fraunhofer IWU

Erweiterung des bekannten laser-strahlschmelzprozesses um einen Pastenextrudierprozess

Im Laser-Strahlschmelzen wird eine Kavität hergestellt, aus welcher das lose Pulver abgesaugt wird

In diese Kavität wird definiert Paste eingebracht

Der Binder in der Paste wird thermisch entfernt und das übrige Pulver versintert bzw. verschmolzen

Der Prozess wird fortgeführt, bis das entsprechende Bauteil erhalten wurde

  • Verhinderung der Vermischung der Ausgangswerkstoffe: Pulver und Paste
  • Möglichkeit, mehr als ein weiteres Material einzubringen

Anwendungsmöglichkeiten:

Werkzeugbau: Einbringung von hoch wärmeleitfähigen Komponenten (Kupfer-Inserts) in filigrane Werkzeugbereiche, welche nicht mit einem Kühlkanal versehen werden können

Funktionsintegration: z.B. Integration von Leiterbahnen inkl. Isolation, Einbringen von direkt hergestellten Sensoren/aktoren, magnetische Materialien, etc.

Projekte: 

Eigenforschung, AGENT-3D_ProAMM

Publikation: 

ISAM 2017 (Poster), Rapid.Tech 2017 (Vortrag)

Patente:

angemeldet: 102016208196.9

Kontakt:

Richard Kordaß, richard.kordass@iwu.fraunhofer.de, +49 351 4772 2921

Branchenlösung

Statischer Mischer

Komplexe, strömungstechnisch optimierte Mischerstrukturen aus dichtem Aluminiumoxid

© Foto Fraunhofer IKTS

Keramische Mischer-Komponenten sind für den Einsatz bei hohen Temperaturen und/oder in aggressiven Medien prädestiniert.

Ausgehend von strömungstechnischen Simulationsrechnungen wurden komplexe Mischerstrukturen entwickelt und mittels LCM hergestellt, die auf kleinem Volumen, z. B. 18,4 x 8 x 8 mm³ - eine homogene Durchmischung zweier Flüssigkeiten oder Gase ermöglichen 

Weiterhin ist die optimale geometrische Auslegung der Anschlussstücke möglich, so dass eine gleichmäßiger Massestrom über alle drei Ports  gewährleistet ist.

Patente:

Patentanmeldung DE 10 2014 226 607 A1,

Kontakt:

Uwe Scheithauer, uwe.scheithauer@ikts.fraunhofer.de, +49 351 2553 7671 

Branchenlösung

Poröse keramische Wabenstrukturen

© Foto Fraunhofer IKTS

Mittels Binder-Jetting  können schnell oxidkeramische Wabenstrukturen für Voruntersuchungen hergestellt werden, ohne dass kostenintensive Extrusionswerkzeuge gefertigt werden müssen.  

Unterschiedlichen Kanal- und Wabenquerschnittsgeometrien sowie Werkstoffvariationen wurden  so realisiert und hinsichtlich der anwendungsrelevanten Eigenschaften (Porengröße, Porosität, thermische Eigenschaften) charakterisiert.

Ein zusätzlicher, positiver Aspekt ist, dass beim Binder Jetting im Verglich zur herkömmlichen Extrusion (Standardverfahren für Wabenherstellung) deutlich (60 bis 80 %) weniger organische Binder eingesetzt werden muss. 

Werden die Waben mit Perforationen in den Kanalwänden versehen, was nur mittels additiver Verfahren möglich ist, so eröffnen sich neue Anwendungsmöglichkeiten mit Blick auf strömungstechnisch verbesserte Katalysatorträgerstrukturen 

Kontakt:

Dr. Hans-Jürgen Richter, hans-juergen.richter@ikts.fraunhofer.de +49 0351 2553 7557

 

Werkzeugeinsatz aus SiSiC

© Foto Fraunhofer IKTS

Der Werkstoff SiSiC zeichnet sich unter anderem durch eine hohe Temperaturstabilität, hohe Wärmeleitfähigkeit sowie hohe mechanische Verschleißbeständigkeit aus und bietet sich somit als Werkstoff für Werkzeugeinsätze für das Spritzgießen an. 

Nach technologischer und werkstofflicher Anpassung wurde über die Prozessstufen Lasersintern von SiC-Pulver, Infiltration, Pyrolyse und Reaktionsinfiltration mit Silizium ein prototypischer Werkzeugeinsatz-Demonstrator entwickelt.

Die Werkstoffeigenschaften von über Lasersintern als Formgebung hergestellten SiSiC liegen nahezu (90 %) auf dem Niveau von konventionell hergestelltem SiSiC.

Kontakt:

Dr. Hans-Jürgen Richter, hans-juergen.richter@ikts.fraunhofer.de, +49 0351 2553 7557

Druckbare Biomateralien

© Foto Fraunhofer IGB

Chemical modification of biopolymers (Bild 1), inkjet deposition of cell-laden bioink onto hydrogel pads (Bild 2)

Das Fraunhofer IGB bietet R&D Leistungen bei der Entwicklung druckbarer Biomaterialien, insbesonere druckbare Hydrogel-formulierungen oder Formulierungen mit (bio)funktionalen Partikeln. Bio-Tinten: Wir bieten chemisch modifizierte Biomoleküle aus der extrazellulären  Gewebematrix, beispielsweise vernetzbare Proteine wie Gelatine, Kollagen oder Glykosaminoglykane wie Hyaluronsäure, Chondroitinsulphat oder Heparin mit definiertem Modifizierungsgrad in reproduzierbarer Qualität.

Wir  entwickeln Formulierungen, die sowohl den Anforderungen von Druck- und Dispensierprozessen entsprechen als auch den spezifischen Bedürfnissen von Zellen. 

Wir erarbeiten mit Ihnen Formulierungen für Inkjet, robotic dispensing, Elektrospinnen, sowie für konventionelle Pipettieraufgaben im Mikro- und Nanoliterbereich.

Zellverträgliche Materialien: Wir entwickeln auch neue Materialien für zellfreundliche und biofunktionale Beschichtungen und Prozesse, Toner-Partikel mit funktionalisierter Oberfläche oder Polyethylenglykol-basierte Hydrogelvorläufer.

Projekte: 

BioRap (FhG), Artivasc-EU (EU), Protoprint (VW-Stiftung), Theranostische Implantate (FhG)

Publikation:

Hoch, E., et al. "Chemical tailoring of gelatin to adjust its chemical and physical properties for functional bioprinting." Journal of Materials Chemistry B 1(41): 5675-5685, 2013.

Engelhardt, S., et al. "Fabrication of 2D protein microstructures and 3D polymer–protein hybrid microstructures by two-photon polymerization." Biofabrication 3: 025003, 2011.

Huber, B., et al. (2016). "Blood-Vessel Mimicking Structures by Stereolithographic Fabrication of Small Porous Tubes Using Cytocompatible Polyacrylate Elastomers, Biofunctionalization and Endothelialization." Journal of Functional Biomaterials 7(2): 11.

Southan, A., et al. "Side chain thiol-functionalized poly(ethylene glycol) by post-polymerization modification of hydroxyl groups: synthesis, crosslinking and inkjet printing." Polymer Chemistry 5(18): 5350-5359, 2014.

Links:

http://www.biorap.fraunhofer.de/, www.artivasc.eu 

Kontakt:

Dr. Achim Weber, 0711 970-4022,  achim.weber@igb.fraunhofer.de

Branchenlösung

 

Werkstoffentwicklung - TiAl

Electron Beam Melting

© Foto Fraunhofer IFAM

Nachweis der Verarbeitbarkeit einer TiAl-Legierung (RNT650) mittels EBM

Die Arbeitspakete des Fraunhofer IFAM liegen in den Bereichen Pulver, Prozessentwicklung und Bauteilfertigung

Wesentliche Ergebnisse beinhalten:

     Entwicklung der Pulverspezifikation

     Prozessfenster für Verarbeitung von RNT650 mittels EBM

     > 30 Demonstratoren erfolgreich hergestellt 

Projekte:

TiAlCharger

Publikation:

G. Baudana, S. Biamino, B. Klöden, A. Kirchner, T. Weißgärber, B. Kieback, D. Ugues, P. Fino, C. Badini, Electron beam melting of Ti-48Al-2Nb-0.7Cr-0.3Si: feasibility investigation, Intermetallics, Vol. 73, 2016, 43-49

Kontakt:

Dr. Burghardt Klöden, burghardt.kloeden@ifam-dd.fraunhofer.de, +49 351 2537 384

Multimaterialbearbeitung mittels Additive Manufacturing

© Foto Fraunhofer IWS

Aus den komplexen Marktbedingungen sind in vielen Hochtechnologiebereichen stetig Leistungssteigerungen bei gleichzeitig erhöhter Effizienz gefordert.

Neben konstruktiven Maßnahmen ist eine Produktverbesserung nur durch den intelligenten Einsatz maßgeschneiderter Hochleistungswerkstoffe realisierbar.

Bauteilbereiche müssen dabei lokal abweichenden Anforderungen hinsichtlich Festigkeit, Dichte, thermischer Einsatzfähigkeit, Oxidations- und Verschleißverhalten gerecht werden, was teilweise extrem unterschiedliche Werkstoffe in einer Baugruppe erfordert.

Mit konventionellen Fertigungsverfahren können Multimaterial-bauteile nur durch Fügen von Einzelkomponenten hergestellt werden, was mit hohen Fertigungskosten, erhöhtem Systemgewicht und mitunter verringerter Lebensdauer verbunden ist.

Darüber hinaus lässt sich eine Vielzahl von Anwendungen zum derzeitigen Stand mit konventionellen Fertigungsverfahren überhaupt nicht realisieren, da diese konzeptbedingt einen Multimaterialansatz in einer integrativen Baugruppe

Publikation:

Riede, M.: Laserbasierte Herstellung von Metall-Faserverbund-Verbindungen: IWS Jahresbericht 2014, S. 46‑47

Link:

www.agent3d.de

Projekte:      

MultiBeAM

Kontakt:

Prof. Dr. Frank Brückner, Frank.Brueckner@iws.fraunhofer.de, +4935183391-3452,
Dr. Elena Lopez, Elena.Lopez@iws.fraunhofer.de, +4935183391-3296

Branchenlösung

Vergleich 3DP und Metal Injection Molding (MIM)

© Foto Fraunhofer IFAM

Drucken von Demonstratoren aus 17-4 PH und Ferro-Titanit®

Vergleich der Eigenschaften mit denen von MIM-Bauteilen

Projektbeispiel:

IGF-Projekt ab Oktober 2017

Publikation:

Wieland, Sandra; Petzoldt, Frank: Binder Jet 3D-Printing for Metal Additive Manufacturing: Applications and Innovative Approaches. DKG 93 (2016) No. 10

Isaza, Juan F.; Aumund-Kopp, Claus; Wieland, Sandra; Petzoldt, Frank; Bauschulte, Mathis; Godlinski,  Dirk: New materials and applications by 3D-Printing for innovative approaches. Proceedings of EURO PM 2015, Reims, France. ISBN: 978-1-899072-47-7

Kontakt:

Sandra Wieland, sandra.wieland@ifam.fraunhofer.de

Claus Aumund-Kopp, claus.aumund-kopp@ifam.fraunhofer.de