Eine wichtige Rolle im Fraunhofer-Leitprojekt ›Future-AM‹ spielt das Virtual Lab, das in enger Zusammenarbeit der beteiligten Institute entsteht. Was es leisten und wie es funktionieren wird, demonstrieren die Fraunhofer-Experten auf der Formnext. Das Virtual Lab soll künftig über ein Netz und eine Datenbank alle Bereiche und Institute in Sachen metallisches Additive Manufacturing (Metall AM) digital miteinander verknüpfen.

Fritz Lange von der Fraunhofer-Einrichtung für Additive Produktionstechnologien IAPT in Hamburg, bei der die Fäden des virtuellen Labors zusammenlaufen: »Die Institute werden über das Virtual Lab die verteilte Fertigung abwickeln und nachvollziehen.« Geplant ist dazu die geschlossene digitale Abbildung der Kompetenzen und Ausstattung aller beteiligten Institute.

Additive Manufacturing ganzheitlich virtuell betrachten

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Das Virtual Lab macht den gesamten AM-Prozess transparent und spiegelt ihn digital: Digital Twins ermöglichen den Projektteilnehmern, Prozesse zu modellieren und zu simulieren, um so reale Systeme in allen Bereichen zu optimieren. Das Virtual Lab ist funktionsbereit und wird bereits mit sogenannten Dummy-Daten evaluiert. Aktuell verbinden sich die beteiligten Institute über ihre Datenbank mit dem Virtual Lab, damit es in Kürze seinen virtuellen Betrieb aufnehmen kann. Dazu zählt zum Beispiel das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS aus Dresden, das den Part der Werkstoffe betreut. Im Mittelpunkt stehen die Erweiterung des einsetzbaren Spektrums von additiv verarbeitungsfähigen Werkstoffen und außerdem die Multi-Material-Bauweise: Hier entsteht maßgeschneidert mit Hilfe des Laserauftragschweißens (LMD) ein Bauteil aus verschiedenen Werkstoffen ohne nachgelagerte Fügeprozesse.

»Das Verfahren beschleunigt die Materialentwicklungen enorm«, erwartet IWS-Wissenschaftler Michael Müller. »Wir erforschen im Verbundprojekt, welche Materialien sich miteinander kombinieren lassen und welche Probleme dabei auftreten.« Aktuell untersuchen die Dresdener Wissenschaftler, wie sich beispielsweise aus verschiedenen Superlegierungen ein Multi-Material-Bauteil herstellen lässt. Besonders wichtig ist beim Fügen von zwei Werkstoffen die Analyse der Übergangszone zwischen den Materialien. Den Materialübergang der Legierung Inconel 718 zu Merl 72 haben die Forscher mittlerweile optimiert, um Herausforderungen wie Rissbildung oder Versprödung zu minimieren.

Neue skalierbare Metall-AM-Prozesse und -Anlagen sind das Thema des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT: Den Aachenern gelang beim ›extremen Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen‹ (EHLA) der Schritt von der Beschichtung zur echten additiven Fertigung. Gemeinsam mit Industriepartnern entstand eine 3D-EHLA-Anlage, bei der die Bauplattform extrem schnell parallelkinematisch von drei Linearantrieben mit stillstehendem Laser-Bearbeitungskopf bewegt wird. Für das Laser Powder Bed Fusion (LPBF) wurde ein neues, kompaktes Optiksystem entwickelt. Es wird im ersten Prototyp eingesetzt, der dank seines Bauraums (1.000 x 800 x 500 Millimeter) auch große Metallbauteile bis zu zehnmal so schnell wie übliche LPBF-Anlagen additiv herstellen kann.

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Ein weiteres Highlight ist ein Software-Modell zum Steuern des Energieeintrags beim Umschmelzen des pulverförmigen Werkstoffs. Christian Tenbrock, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer ILT und Future-AM-Projektkoordinator: »Die Prozessparameter können dabei für jede einzelne Schmelzspur individuell eingestellt werden, um sowohl die Bauteilqualität als auch die Baugeschwindigkeit zu steigern.«

Automatisierte Nachbearbeitung senkt die Prozesskosten

Besonders hoch ist beim Metall AM der Aufwand für die meist manuelle Nachbearbeitung, denn sie macht bis zu 70 Prozent der gesamten Prozesskosten aus. Dr. Ines Dani vom Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU in Chemnitz: »Nachgelagerte Bearbeitungsschritte wurden unter anderem aufgrund der unterschiedlichen Geometrien bisher nicht automatisiert. Das soll sich jetzt ändern.« Für die einzelnen Prozesse entwickelt das Fraunhofer IWU verschiedene autonom arbeitende Technologie-Module. Ein Roboter übernimmt das Werkstück-Handling und die spanende Nachbearbeitung.

Hintergrund

Im November 2017 startete das Fraunhofer-Leitprojekt ›Future-AM‹ mit dem Ziel, die Additive Fertigung von Metallbauteilen mindestens um den Faktor 10 zu beschleunigen. Im Mittelpunkt der Aktivitäten steht zum einen die ganzheitliche Sicht auf die digitale und physische Wertschöpfung vom Auftragseingang bis zum fertigen metallischen 3D-Druck-Bauteil, zum anderen der Sprung in eine neue Technologie-Generation der additiven Fertigung. Die Projektpartner definieren die vier Handlungsfelder Industrie 4.0 und digitale Prozesskette, skalierbare und robuste AM-Prozesse, Werkstoffe sowie Systemtechnik und Automatisierung.

Die anspruchsvollen Ziele der Fraunhofer-Partner haben bislang zu einer Reihe von Innovationen geführt, von denen einige auf der Formnext 2019 präsentiert werden. Ausgestellt wird unter anderem ein bionischer Hebel als Beispiel eines großen additiv gefertigten Bauteils, hergestellt mit einer speziell ausgelegten Laser-Powder-Bed-Fusion-Maschine, kurz LPBF-Maschine. Eine Multi-Material-Turbinenschaufel und eine Raketendüse mit Drallinjektoren sind weitere Innovationen aus Branchen, die von AM erobert werden. Gezeigt werden außerdem eine Software-Demo des Virtual Labs und das Modell einer Anlage zur Automatisierung der bisher händischen und daher zeitaufwendigen Nachbearbeitung.