Methoden zur Gestaltung und Charakterisierung des Materialverbunds von additiv gefertigten Multi-Material Bauteilen

Abstract

Die additive Fertigung ermöglicht durch die Kombination unterschiedlicher Materialien innerhalb eines Bauteils neue konstruktive Freiheitsgrade und Funktionsintegrationen. Eine zentrale Herausforderung besteht jedoch in der Herstellung belastbarer Verbunde inkompatibler Materialien. Im Rahmen des Projekts wurden material-, prozess- und geometriespezifische Einflussfaktoren auf die Verbundhaftung additiv gefertigter Multi-Material-Bauteile untersucht. Dabei konnten komplexe formschlüssige Gitterstrukturen erfolgreich zur Steigerung der Verbundfestigkeit eingesetzt und daraus Gestaltungsprinzipien sowie Richtlinien für die Auslegung von Materialverbunden abgeleitet werden. Ergänzend wurden oxidierende und reduzierende Plasmavorbehandlungen sowie haftvermittelnde Zwischenschichten zur Verbesserung der initialen Haftung untersucht. Zur Charakterisierung der Verbunde wurden neue Präparations- und Prüfmethoden entwickelt und verschiedene mechanische sowie oberflächenanalytische Verfahren eingesetzt. Die Ergebnisse zeigen insbesondere die hohe Sensitivität der Verbundfestigkeit gegenüber Prozessabweichungen und Kontaminationen an den Materialgrenzen. Daraus wurde deutlich, dass hohe Anforderungen an Prozessführung und Bauteilkonstrukion bestehen, um reproduzierbare Multi-Material-Bauteile herstellen zu können. Additive manufacturing enables new design freedoms and functional integrations through the combination of different materials within a single component. However, a major challenge lies in the fabrication of mechanically reliable joints between incompatible materials. Within the scope of the project, material-, process-, and geometry-specific influencing factors affecting the interfacial adhesion of additively manufactured multi-material components were systematically investigated. Complex interlocking lattice structures were successfully employed to enhance bond strength, from which design principles and guidelines for the design of material interfaces were derived. In addition, oxidizing and reducing plasma treatments as well as adhesion-promoting interlayers were investigated to improve the initial adhesion between incompatible materials. To characterize the material joints, new preparation and testing methods were developed, and various mechanical as well as surface-analytical techniques were applied. The results particularly revealed the high sensitivity of bond strength to process deviations and contamination at the material interfaces. Consequently, the investigations demonstrated that stringent requirements regarding process control and component design are necessary to achieve reproducible properties in additively manufactured multi-material components.