SIGNAL - Entwicklung von sinterbasierten generativen Prozessrouten für Aluminium- und Titanlegierungen für topologieoptimierte Leichtbaukomponenten für den Mobilitätssektor

Abstract

Im Verbundprojekt SIGNAL wurden sinterbasierte additive Prozessrouten für Aluminium- und Titanlegierungen mit dem Ziel entwickelt, deren Potenzial für ressourceneffiziente, topologieoptimierte Leichtbaukomponenten im Mobilitätssektor zu erschließen. Hierzu wurde die gesamte Prozesskette von der Legierungs- und Feedstockentwicklung über unterschiedliche additive Formgebungsverfahren, Entbinderung und Sinterung bis hin zu Sintersimulation, Topologieoptimierung, Nachbearbeitung und Bauteilverifizierung untersucht. Ti-6Al-4V diente dabei als technologisch reifer Referenzwerkstoff, während für Aluminium eine weitgehend neue Prozessroute aufgebaut werden musste. Für Ti-6Al-4V konnten mehrere Prozessschritte bis auf Demonstratorebene erfolgreich umgesetzt werden. Unter anderem wurden FFF-, FGF- und CMF-Prozessrouten untersucht, neue Binderkonzepte entwickelt und Verfahren zur fertigungsgerechten Auslegung und Kompensation sinterbedingter Verformungen erarbeitet. Die Topologieoptimierung zeigte an einem Luftfahrt-Demonstrator je nach Optimierungsmethode rechnerische Gewichtseinsparungen von etwa 56 bis 63 %; zusätzlich wurde eine Kleinserie von 100 topologieoptimierten Titanhalterungen mittels CMF gefertigt. Für Aluminium wurden Al-Mg-Legierungen mit unterschiedlichen Magnesiumgehalten hinsichtlich Pulver-, Sinter- und Verarbeitungseigenschaften untersucht. Die grundsätzliche Sinterbarkeit konnte an Pulver- und Materialproben nachgewiesen werden. Dazu wurden thermoplastische und suspensionsbasierte Binder- und Feedstocksysteme entwickelt und umfangreiche Untersuchungen zu Entbinderung, Atmosphäre und Sinterführung durchgeführt. Insbesondere mit einem der gegen Projektende entwickelten Binder konnte ein Aluminiumfeedstock erfolgreich im FGF-Verfahren verarbeitet und ein relevantes Prozessfenster für die Grünteilfertigung abgeleitet werden. Eine durchgängige Aluminiumprozessroute bis zum gesinterten Demonstratorbauteil konnte innerhalb der Projektlaufzeit jedoch nicht mehr abgeschlossen werden; die Verifizierung beschränkte sich daher auf Material- und Grünteilebene. Insgesamt wurden wesentliche werkstoff-, prozess- und konstruktionsseitige Grundlagen für die sinterbasierte additive Fertigung von Leichtmetallen geschaffen. Die Ergebnisse verdeutlichen zugleich, dass insbesondere bei Aluminium die enge Abstimmung von Legierung, Binder, Formgebung, Entbinderung, Sinterprozess und Bauteildesign entscheidend für eine robuste Prozesskette ist. Die entwickelten Methoden, Prozessfenster und Designansätze bilden damit eine Grundlage für weiterführende Forschungsarbeiten und eine zukünftige industrielle Umsetzung sinterbasierter Leichtbaukomponenten.