Materials

Project examples of the research topic Materials

© Fraunhofer IWU

Process development for additive multi-material fabrication

extension of the known laser-beam-melting-process with a paste-extrusion-process

© Fraunhofer IFAM

Comparison of 3DP and Metal Injection Molding (MIM)

Printing of demonstrators from 17-4 PH and Ferro-Titanit® as well as comparison of the achieved material properties with properties of MIM parts

© Fraunhofer IPK

Additive manufacturing of form electrodes made of cemented carbide

Material-analysis and optimization of the manufacturing parameters Selective Laser Melting

© Fraunhofer IWS

Multimaterial processing via additive manufacturing

The complex market conditions in the high-technology sector require a constant performance increase and better efficiency at the same time.

© Fraunhofer IWM

Developing new materials for Selective Laser Sintering

Selective laser sintering (SLS) produces components with the best material properties from all the 3D-printing technologies for polymers.

© Fraunhofer IGB

Printable Biomaterials

The Fraunhofer IGB provides R&D in the field of hydrogels and particle formulations for use in printing systems.

© Fraunhofer EMI

Design of Functional Materials

Functional materials enable the selective fulfillment of increased material requirements.

© Fraunhofer IGCV

Heat treatment strategies for the LBM

Laser melting leads to a rapid solidification, individual melt lines are recognizable. Different heat treatment parameters result from different dissolution and precipitation behavior

© Fraunhofer IGB

Additive production of artificial tissues

The Fraunhofer IGB provides formulation of biomaterials based on hydrogels of the natural tissue matrix for bioprinting applications.

© Fraunhofer IGCV

Platinum rhodium combustion chamber for space applications

Additive manufacturing offers new potential for the implementation of functionally optimized designs

© Fraunhofer IFAM

Electro Beam Melting

Verification of processability of TiAl alloy (RNT650) by EBM

From material to component with system

Materials research provides answers to current questions in the fields of energy, health, mobility, information and communication technologies, construction and housing. Modern lightweight construction materials save costs and energy, ceramic micro fuel cells supply electronic devices, and new materials made from renewable resources help to protect the environment.

In the field of additive manufacturing, the Alliance's institutes focus on the development of new materials, technology-specific material adaptation and production as well as the generation of desired product properties with the following materials:

  • metals: steels, titanium and aluminum
  • ceramics: oxides, carbides, silicates and bioactive ceramics
  • Plastics: polymers and thermoplastic materials 

In addition, the Fraunhofer Additive Manufacturing Alliance offers you individually adapted materials for your applications, individual processes and entire process chains - also considering conventional technologies

More information

Ceramic materials and their composition

Components made of ceramic materials can be produced by all common additive processes, even from dense and porous ceramics, as current R&D projects show. With the exception of selective laser sintering, additive manufacturing is followed by a conventional thermal process for debinding and sintering. The additive manufacturing of ceramics serves particularly for the production of functional components in form of prototypes, small series or individual construction units. In comparison to polymers and metals, the production of ceramics is more challenging with respect to material and technology. The choice of materials depends on the respective requirements of the desired application: In addition to oxide ceramics (e.g. Al2O3, ZrO2), nitrides (e.g. Si3N4, AlN), carbides (e.g. SiC, TiC), silicate ceramic components (e.g. cordierite, porcelain) or bioactive ceramics (Ca-phosphates) as well as ceramic components can be produced by additive manufacturing from composite materials or with a graded material structure.

Current developments

Shaped body made of bioactive ceramics

Using 3D powder printing processes, complex shaped, individual components are manufactured from hydroxyapatite (HAP). The prerequisites for the generation of HAP mouldings are the modification of the starting powder and the adaptation of the binder system or the hydraulic fluid. After sintering, the printed ceramics can be used as bioactive implants. The application-relevant shaped bodies in Figures 1 and 2 prove the efficiency of this generative process for the production of complex three-dimensional hydroxyapatite structures for bioactive implants. Channels and macropores can be realized by the printing process, while the microporosity can be adjusted by the starting powder and the sintering conditions. In the same way as for HAP, bioactive ceramic bodies can be produced from other calcium phosphates.

3DP-HAP 3DP-HAP mandibles
Figure 1 Figure 2

Strength increase with laser-sintered SiC

A process chain is used for the SiSiC material, in which the shaped body is generated from the powder bed by selective laser sintering and the SiSiC material structure is then produced by pyrolysis and infiltration steps. As with all generative processes, laser sintering requires that the achievable material properties of the ceramics must withstand a critical comparison with the properties achieved with conventional manufacturing processes. If SiC starting powder mixtures adapted to the specific process are used and carbon powder is also added, then the material properties (strength, modulus of elasticity) that can be achieved with the above-mentioned process chain via laser sintering are at the same level as those achieved with conventional processes. This process and material development is the basis for the production of application-relevant SiC components by means of laser sintering.

Tool insert for plastic injection moulding

Internal cooling channels and a complex structured surface characterize an injection molding tool insert made of SiSiC, which was manufactured with selective laser sintering (SLS). The SiSiC ceramic does not shrink during the manufacturing process, so that high contour accuracy is achieved without reworking. A combination of the classic SLS process and laser microsintering (in cooperation with the Mittweida University of Applied Sciences) enables a hybrid construction of the component. Areas of the tool surface can be generated with a small layer thickness in such a way that they have a high surface quality, high strength and detail accuracy. The basic body, on the other hand, can be built up with greater layer thicknesses in a cost- and time-saving manner. The ceramic tool insert for the injection moulding of plastics is characterised by its high wear resistance and long service life.

Our service

 

Manufacturing processes of ceramic materials

The Alliance's institutes develop powder-based manufacturing processes for ceramic components and systems. In the lab and on testing facilities we work out prototypical solutions, produce small series and, if necessary, transfer it into pilot technology.

The benefit ranges from the processing of powders and raw materials to shaping, sintering, processing in green and sintered states as well as joining and integration techniques. In addition to direct additive manufacturing processes, shaping technologies such as powder injection moulding or vacuum casting are used in combination with rapid prototyping process chains.

 

Laser sintering of ceramic materials

Regarding laser sintering from powder bed, the Additive Manufacturing Alliance, focuses on the development of functional patterns for selected ceramic materials as well as process and material feasibility studies. Laser sintering is particularly qualified for ceramic materials that can be further compacted after additive manufacturing by reaction sintering or glass infiltration.

Adapted process parameters enable the production of functional prototypes with high form accuracy and dimensional accuracy. The example of the SiSiC material shows, that the material properties of laser-sintered ceramic components can be on the same high level as those of conventionally produced ceramics.

 

Three-dimensional printing technology (3D printing) for ceramic materials

For 3D printing from the powder bed, we develop suitable binders as well as printing fluids and condition ceramic powders for the printing process. Process and material developments aim at the production of complex shaped bodies, which, after sintering, have a dense or porous material structure depending on the application requirements.

An innovative process and plant concept using highly dispersed ceramic suspensions will open up new application potential for 3D printing technology and produce dense ceramics with excellent material properties.

 

 

Polymeric Materials

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.