Neue Crash-sichere Aluminiumlegierung für den 3D-Druck

Die Edag Group hat im Rahmen des vom BMBF geförderten Forschungsprojekts „Custo-Mat 3D“ gemeinsam mit acht Projektpartnern eine Aluminiumlegierung für den 3D-Druck entwickelt, die für mehr Sicherheit sorgt. Sie ist in der Lage ist, sowohl höhere Festigkeiten als auch höhere Bruchdehnungen bereitzustellen. Letzteres ist insbesondere für den Fall eines Crashs von großer Bedeutung.

In den letzten 3 Jahren wurde die gesamte Prozesskette von der Pulverherstellung über die Simulation bis zur Bauteilentwicklung betrachtet: Die Legierungsdefinition und die Herstellung von Pulvern erfolgte durch das Leibnizinstitut für Werkstofforientierte Technologien (IWU) und Kymera International. Die Verarbeitung und Prozessentwicklung im pulverbettbasierten Laserstrahlschmelzen (LBM) fanden am Fraunhofer IAPT, bei GE Additive sowie bei der FKM Sintertechnik GmbH statt. Eine entsprechende Simulation der schnellen Abkühlung der Schmelze im Prozess wurde vom Fraunhofer ITWM sowie der MAGMA Giessereitechnologie GmbH erforscht. Die Demonstration der Leistungsfähigkeit erfolgten bei der Mercedes-Benz AG und der Edag Engineering GmbH mit Unterstützung von Altair Engineering.
Dieser ganzheitliche Ansatz soll die additive Fertigung für Serienprozesse zugänglich machen. Die neu erforschte Legierung kann verwendet werden, um stark gewichtsreduzierte Komponenten im Fahrzeug zu etablieren.

• In einer Laborphase wurden zunächst unterschiedliche Legierungen experimentell untersucht. Die erfolgversprechendste Legierung konnte erfolgreich auf unterschiedlichen Laserstrahlschmelzanlagen erprobt werden.
• Das Besondere an der Legierung ist seine Vielseitigkeit: Aus einer einzigen Legierung kann ein sehr breites Eigenschaftsspektrum erzeugt werden. Diese Eigenschaften können dabei anhand einer nachgelagerten Wärmebehandlung flexibel eingestellt werden.
• Aus den ermittelten Werkstoffkennwerten wurden Materialkarten erzeugt, die in einer Strukturoptimierung mit der Software Altair OptiStruct verwendet wurden, um das Gewicht von Bauteilen bei gleicher Leistungsfähigkeit zu senken.
• Besonders ist hierbei, dass auch die Anforderungen aus dem additiven Fertigungsprozess wie die Bauteilausrichtung berücksichtigt werden können.

Ausgewählt wurden Bauteile aus verschiedenen Bereichen des Fahrzeugs. Sowohl bei dem dynamisch hochbelasteten Radträger als auch bei einem komplexen Bauteil mit hohen Steifigkeitsanforderungen aus dem Bereich des Radkastens konnten eine effektive Gewichtseinsparung realisiert werden. Diese lag mit teils über 30 % oberhalb des erwarteten Potenzials. Aufgrund des additiven Fertigungsprozesses kann hier das Bauteil über ein Laststufenmodell gezielt auf die Anforderungen des jeweiligen Fahrzeugs angepasst werden.

Weiterhin wurden auch Hybridprozesse wie Laserauftragsschweißen sowie Fügeverfahren mit dem neu entwickelten Werkstoff untersucht. In der Simulation war es möglich, die Vorgänge auf der mikroskopischen Ebene des Pulvers über repräsentative Elemente in die makroskopische Simulation des Bauteils zu überführen. So wird eine stark verkürzte Rechenzeit möglich. Als Ergebnis können Eigenspannungen und Verzüge schon vor der Fertigung sichtbar gemacht und verringert werden.

Die neu entwickelte Legierung wird unter dem Markennamen Cust Alloy in wenigen Monaten konventionell verfügbar sein. Die Projektpartner ziehen schon jetzt ein durchweg positives Fazit. Aufgrund der breiten Anwendbarkeit sowie der bereits erfolgten Absicherung von Korrosion, Fügetechnik und vieler weiterer Anforderungen der Automobilindustrie ist die Legierung prädestiniert für erste Serieneinsätze.
Alle Projektziele konnten erreicht werden und mit der neuen Legierung, dem zugehörigen Verarbeitungsprozess sowie den erprobten Simulationsmethoden stehen den Experten wirkungsvolle Werkzeuge zur Verringerung des Fahrzeuggewichts und dem Einsatz der 3D-Druck-Technologie in der Serienproduktion zur Verfügung.