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AM-Experten entwickeln gemeinsam hochfeste, leichte Aluminiumlegierungen

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Oerlikon hat angekündigt, mit Linde, einem der weltweit größten Industriegase-Unternehmen, und der Technischen Universität München (TUM) eine Forschungsallianz für additive Fertigung (AM) einzugehen.

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Ziel der Partner ist es, neue hochfeste, leichte Legierungen auf Aluminiumbasis zu entwickeln, die den Anforderungen der Luft- und Raumfahrtindustrie und der Automobilindustrie an Sicherheit und Gewichtsreduzierung gerecht werden. Das Bayerische Wirtschaftsministerium fördert 50% des 1,7 Millionen Euro teuren Forschungsprojekts.

Diese Forschungspartnerschaft entstand aus der Anfang Oktober angekündigten Zusammenarbeit bei der additiven Fertigung. TUM, Oerlikon, GE Additive und Linde gaben die Gründung eines bayerischen Clusters für additive Fertigung und eines Additive Manufacturing Institute bekannt, um ein höheres Maß an Zusammenarbeit und interdisziplinärer Forschung zwischen den Unternehmen und der Universität zu fördern. Es wird erwartet, dass eine große Bandbreite an Fachwissen in einer Region die Fortschritte in der additiven Fertigung beschleunigen wird.

Das Konsortium Oerlikon - Linde - TUM ist einzigartig, da jedes der drei Mitglieder seine eigene Hightech-Kompetenz in diesem komplexen Raum einbringt. Die Herstellung der optimalen Aluminiumlegierung mit einem hohen Anteil an Leichtbauelementen wie Magnesium durch einen AM-Prozess erfordert ein tiefes Verständnis der Chemie, Thermo- und Fluiddynamik. Während des Herstellungsprozesses wird das Metallpulver schichtweise auf eine Bauplatte aufgebracht und mit einem Laserstrahl geschmolzen. Dabei wird das Metallpulver miteinander verschmolzen und bildet die gewünschten komplexen, dreidimensionalen Geometrien. Der Prozess findet in einer definierten Schutzgasatmosphäre statt.

Die Expertise von Oerlikon in den Bereichen Pulver und Materialwissenschaft wird zur Entwicklung des neuartigen Materials beitragen.

"Mit unserer proprietären Software, die eine Simulation und Analyse großer Datenmengen ermöglicht, bietet Scoperta-RAD, Oerlikon kritische Lösungen für die Entwicklung neuer Materialien und die Leistungsoptimierung verfügbarer Materialien", sagte Dr. Alper Evirgen, Metallurg bei Oerlikon AM.

"Es gibt große Herausforderungen bei der additiven Herstellung von Aluminiumlegierungen, da die im Schmelzbad erreichten Temperaturen eine extreme Umgebung schaffen, die zu Verdampfungsverlusten von Legierungselementen mit vergleichsweise niedrigen Siedetemperaturen - wie beispielsweise Magnesium - führt", ergänzt Dr. Marcus Giglmaier, Projektleiter, AM Institute und Research Funding Manager. "Zusätzlich erzeugen die Abkühlraten von mehr als 1 Million °C pro Sekunde während des Verfestigungsprozesses hohe Spannungen, die zu Mikrorissen im Feststoff führen können."

Die bahnbrechende Technologie von Linde und sein einzigartiges Know-how in der Gasatmosphärenkontrolle und Verdampfungsunterdrückung während des AM-Prozesses - einschließlich der Verarbeitung von Aluminiumlegierungen - überwindet Verunreinigungen in der Druckkammer und hilft den Herstellern, optimale Druckbedingungen zu erreichen.

"Die Charakterisierung und Steuerung des Gasprozesses während der AM hat nicht nur das Potenzial, Verdampfungsverluste zu vermeiden, sondern auch den gesamten Druckprozess zu beschleunigen", erklärt Thomas Ammann, Expert Additive Manufacturing bei Linde. "Der Einsatz einer maßgeschneiderten Gaschemie für die neue Legierung würde helfen, die im Schmelzbad ablaufenden Prozesse zu kontrollieren, die Zusammensetzungsänderungen der Legierungen zu minimieren und Risse beim Drucken zu vermeiden."

Das Institut für Aerodynamik und Strömungsmechanik (AER) an der TUM verfügt seinerseits über ein detailliertes Verständnis der physikalischen Phänomene, die während des additiven Herstellungsprozesses mittels numerischer Simulationen auftreten. "Die Forschungsallianz AM schließt die Lücke zwischen unseren neuesten numerischen Modellierungsergebnissen und zukünftigen industriellen Anwendungen", sagte Prof. Nikolaus Adams, Direktor der VRE. Bei AER wurde ein Prozesssimulationstool entwickelt, das die gesamte Schmelzbaddynamik - von fest bis flüssig und gasförmig - mit Phasenänderungsmodellen, Oberflächenspannungseffekten und Wärmetransport abdeckt"

Zu den Vorteilen der rechnergestützten Strömungsmechanik fügte Dr. Stefan Adami hinzu: "Ein detaillierter Einblick in die gleichzeitig auftretenden thermofluiddynamischen Phänomene ist entscheidend für ein besseres Verständnis des gesamten Prozesses und der endgültigen Materialeigenschaften"