Forschung zu 3D-gedruckten Metallbauteilen abgeschlossen

Im Rahmen des Horizon-Europe-Projekts CLASCO – Climate Neutral and Digitalised Laser Based Surface Functionalisation of Parts with Complex Geometry haben Forschende unter der Leitung der TU Dresden (TUD) einen neuen Ansatz für die Nachbearbeitung komplexer 3D-gedruckter Metallbauteile entwickelt.

Im Mittelpunkt der dreieinhalbjährigen Projektarbeit stand die Entwicklung einer Prozesskette: Die Forschenden kombinierten Laserpolieren, Laser-Mikrostrukturierung, Prozessüberwachung, Digitale Zwillinge und Künstliche Intelligenz zu einem integrierten Fertigungskonzept. Die entwickelten Technologien erprobten sie an Bauteilen für die Luft- und Raumfahrt sowie für medizinische Anwendungen.

Raue Oberflächen durch 3D-Druck müssen bearbeitet werden

Die additive Fertigung von Metallen ermöglicht leichte Bauteile mit Geometrien, die sich mit herkömmlichen Verfahren nur schwer oder gar nicht herstellen lassen. Allerdings weisen 3D-gedruckte Metallbauteile häufig vergleichsweise raue Oberflächen auf. Für anspruchsvolle Anwendungen müssen Hersteller diese Oberflächen deshalb zunächst gezielt bearbeiten. Die Forschenden kombinierten zwei sich ergänzende Laserverfahren in einem Fertigungssystem.

Zunächst glättete das Laserpolieren die raue Oberfläche berührungslos. Anschließend erzeugte das Verfahren Direct Laser Interference Patterning (DLIP) präzise definierte Mikrostrukturen auf ausgewählten Bereichen des Bauteils. Mit diesen Strukturen konnten die Forschenden die Oberflächeneigenschaften gezielt an die jeweilige Anwendung anpassen.

Bedarfsgerechte Bearbeitungsprozesse 

„Mit CLASCO haben wir gezeigt, dass wir die Oberfläche komplexer 3D-gedruckter Metall-Bauteile bedarfsrecht gestalten und gleichzeitig den Bearbeitungsprozess digital überwachen können. Damit schaffen wir eine wichtige Grundlage, um solche Bauteile künftig effizienter für anspruchsvolle industrielle Anwendungen nutzbar zu machen“, sagt Prof. Andrés Fabián Lasagni, Inhaber der Professur für Laserbasierte Fertigung an der TUD und Koordinator des CLASCO-Projekts.

Auch die Möglichkeiten des Leichtbaus standen im Fokus des Projekts. Die Forschenden nutzten bereits bei der Konstruktion der Bauteile die Gestaltungsfreiheit der additiven Fertigung, um Material und Gewicht einzusparen. Bei zwei Demonstratoren für die Luft- und Raumfahrt erzielten sie mithilfe einer Topologieoptimierung deutliche Gewichtseinsparungen.

Das Gewicht eines A350-Befestigungswinkels reduzierten sie um rund 53 Prozent, einen entsprechenden Hebel konnten sie um rund 38 Prozent leichter auslegen. Nach der additiven Fertigung bearbeiteten die Forschenden die Oberflächen mit der neu entwickelten laserbasierten Prozesskette. Das Laserpolieren reduzierte die typische Oberflächenrauheit direkt nach dem 3D-Druck von etwa 10 bis 30 Mikrometern auf weniger als ein Mikrometer.

In einem zweiten Bearbeitungsschritt erzeugte DLIP regelmäßige Strukturen im Mikrometerbereich. Damit konnten die Wissenschaftler:innen Eigenschaften wie Benetzbarkeit, Korrosionsverhalten oder die Wechselwirkung von Implantatoberflächen mit biologischen Materialien gezielt verändern. Auch die Nachhaltigkeit des entwickelten Fertigungswegs stand bei CLASCO im Fokus.

Alle Schritte in Prozesskette sind relevant

Die Untersuchungen machten deutlich, dass additive Fertigung nicht automatisch nachhaltiger ist, nur weil sie bei der Herstellung eines Bauteils Material einsparen kann. Für eine fundierte Bewertung müssen vielmehr alle Schritte der Prozesskette einbezogen werden. So beeinflussen unter anderem die Herstellung des Metallpulvers, dessen Rückgewinnung und Wiederverwendung, die Bearbeitungszeit, der Energiebedarf und der Verbrauch von Inertgasen die Gesamtbilanz.

Das Projekt zeigte, dass insbesondere die Wiederverwendung von Metallpulver und eine effiziente Nachbearbeitung wichtige Faktoren für eine nachhaltigere additive Metallfertigung darstellen.

Die Ergebnisse liefern damit nicht nur neue Fertigungstechnologien, sondern auch Erkenntnisse darüber, unter welchen Bedingungen sich diese Technologien besonders ressourceneffizient einsetzen lassen. Mit dem formalen Abschluss von CLASCO endet die Arbeit an den entwickelten Technologien nicht.

Die Projektpartner wollen die Ergebnisse weiter in die Praxis bringen und für industrielle Systeme, Bearbeitungsdienstleistungen, Technologielizenzen, Auftragsforschung und Folgeprojekte nutzen.

Die nächsten Schritte zielen darauf ab, die Prozesse robuster und effizienter zu machen und die entwickelten Verfahren auf weitere industrielle Anwendungen zu übertragen. Neben der Luft- und Raumfahrt und der Medizintechnik könnte der Ansatz überall dort zum Einsatz kommen, wo komplexe, hochwertige Metallbauteile Oberflächen mit genau definierten Eigenschaften benötigen.

(Quelle: Technische Universität Dresden - Institut für Fertigungstechnik)