InShaPe: Nächster Innovationssprung in der metall-basierten additiven Fertigung

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In vielen Industriebranchen wie in der Automobilindustrie, in der Luft- und Raumfahrt oder im Energiesektor steigt die Nachfrage nach metallischen Spezialbauteilen, die leicht sind und eine hohe Festigkeit besitzen.

So benötigen etwa moderne Gasturbinen extrem stabile und gleichzeitig leichte Hitzeschilder. Ein wichtiges Herstellungsverfahren hierfür ist die pulverbett-basierte additive Fertigung von Metallen. Im Englischen ist dieses Verfahren bekannt unter dem Begriff ‚Powder Bed Fusion of Metals using Laser Beam‘ (PBF-LB/M). Je nach Anwendungsfall ist das Verfahren - Stand heute - gegenüber der konventionellen Fertigung in puncto Stückkosten noch nicht immer wettbewerbsfähig. Das von der EU mit 6,8 Millionen Euro geförderte Forschungs- und Innovationsprojekt InShaPe hat es sich zum Ziel gesetzt, einen entscheidenden Beitrag zur Weiterentwicklung der Technologie zu leisten. Unter Koordination der Technischen Universität München (TUM), hier der Professur für Laser-based Additive Manufacturing, arbeiten im Projekt zehn Partner, darunter EOS, aus sieben Ländern zusammen.

Bei der pulverbett-basierten, additiven Fertigung von Metallen wird Metallpulver in einer äußerst dünnen Schicht auf eine Bauplattform aufgebracht. Diese Pulverschicht wird mittels eines fokussierten Laserstrahls aufgeschmolzen und verbindet sich beim Erstarren mit der darunterliegenden Materialschicht.  Dieser Vorgang wird Schicht für Schicht so oft wiederholt, bis ein fertiges Bauteil entsteht. Durch den schichtweisen Aufbau lassen sich komplexe sowie gewichtssparende Geometrien realisieren.

Flexible Anpassung des Laserspots ermöglicht effiziente und kostengünstige Fertigung

Ziel des kürzlich gestarteten InShaPe-Projekts ist es, die metall-basierte, additive Fertigung weiterzuentwickeln. Der verbesserte Fertigungsprozess basiert auf einem optischen Hochleistungsmodul mit programmierbarer Intensitätsverteilung und KI-Techniken zur Bestimmung der optimalen Strahlform für das Zielobjekt, zum Beispiel bestimmt durch den Materialtyp und die Geometrie. InShaPe entwickelt ferner ein innovatives Prozessüberwachungs- und -steuerungssystem zur Qualitätsanalyse. Damit lässt sich die gleichzeitige Beobachtung von Licht unterschiedlicher Wellenlängen (multispektrale Bildgebung) in den Bereich der additiven Fertigung integrieren.

„Die Kombination dieser beiden neuen Technologien ermöglicht effiziente und fortgeschrittene Belichtungsstrategien, sodass selbst anspruchsvollste Fertigung komplexer Spezialbauteile auf Anhieb funktioniert“, so InShaPe-Koordinatorin Prof. Dr.-Ing. Katrin Wudy von der School of Engineering and Design der Technischen Universität München.

InShaPe macht metall-basierte, additive Fertigung schneller, günstiger und nachhaltiger

Das Konsortium hat sich zum Ziel gesetzt, diese Form der additiven Fertigung zu einer kommerziell breiten Fertigungstechnologie weiter zu entwickeln, die herkömmliche Herstellungsverfahren wie Druckguss in puncto Präzision und Nachhaltigkeit zukünftig übertreffen soll. Denn die Anpassung der Laserstrahlform und die neuen Belichtungsmöglichkeiten erlauben einen energie- und materialeffizienten Fertigungsprozess. Gleichzeitig soll die InShaPe-Innovation bei den Stückkosten, der Flexibilität sowie dem Fertigungsvolumen die Wettbewerbsfähigkeit der additiven Fertigung gegenüber traditionellen Herstellungsverfahren unter Beweis stellen. Durch die KI-gestützte Steuerung und Bedienung sollen darüber hinaus auch nicht-hochqualifizierte Arbeitskräfte das neue Verfahren anwenden können.

Das übergeordnete Ziel von InShaPe ist die Weiterentwicklung und Demonstration eines innovativen Pulverbettverfahrens für Metalle (PBF-LB/M). Die Ziele sollen für vier industrielle Anwendungsfälle in den Branchen Luft- und Raumfahrt sowie der Energie- und Automobilindustrie erreicht werden. Im Vergleich zum aktuellen Stand der Technik sollen folgende Vorteile erreicht werden:

• eine siebenmal höhere Fertigungsrate

• über 50 Prozent niedrigere Kosten

• 60 Prozent weniger Energieverbrauch

• 30 Prozent weniger Ausschuss

Langfristig soll die erfolgreiche Entwicklung und Vermarktung der InShaPe-Technologien die europäische PBF-LB/M-Fertigungsbranche als führende Anbieterin von hochkomplexen Teilen stärken sowie neue Best-in-Class-Standards für digitale, ressourcenschonende und agile laserbasierte Produktionsmethoden setzen.

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