Welche Verfahren der additiven Fertigung mit Aluminium gibt es?

Geringe Dichte, hohe spezifische Festigkeit und Steifigkeit, gute Duktilität, hervorragende elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie gute Korrosionsbeständigkeit machen Aluminiumlegierungen zu bevorzugten Leichtbauwerkstoffen für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, im Transportwesen und im Schiffsbau. Da sich die Produktentwicklungszyklen verkürzen, haben herkömmliche Verfahren wie Schmelzen, Gießen und Schmieden zunehmend Schwierigkeiten, die Nachfrage nach komplexen Präzisionsbauteilen zu decken. Die Fertigung muss effizient sein, schnell auf Konstruktionsänderungen reagieren und sich flexibel an komplexe Geometrien anpassen können.

Bei der additiven Fertigung werden physische Bauteile Schicht für Schicht aufgebaut. In der Luft- und Raumfahrt, der Biomedizin und im Schienenverkehr ermöglicht sie die schnelle Fertigung von Einzelteilen oder Kleinserien, größere Gestaltungsfreiheit, die individuelle Anpassung komplexer Formen sowie kürzere Markteinführungszeiten und überwindet dabei einige Größenbeschränkungen herkömmlicher Verfahren.

Verfahren der additiven Fertigung mit Aluminium werden hauptsächlich nach ihrem Funktionsprinzip und ihrer Wärmequelle klassifiziert: Laser-, Elektronenstrahl-, Lichtbogen-, Ultraschall- und Reibrühr-Additive Fertigung. Jedes dieser Verfahren weist spezifische Prozessmerkmale auf.

Laser-Additive Fertigung von Aluminiumlegierungen

Die additive Fertigung mittels Laser nutzt eine Laser-Wärmequelle und bietet eine hohe Formgenauigkeit, relativ wenige innere Fehler sowie gute mechanische Eigenschaften. Dabei wird in der Regel Pulver aus Aluminiumlegierungen verwendet. Unregelmäßige Lücken zwischen den Pulverpartikeln können die Dichte des Bauteils verringern, während die hohe Laserreflexion der meisten Aluminiumlegierungen die Energieeffizienz mindert. Das Verfahren wird daher hauptsächlich für Aluminiumgusslegierungen oder Legierungen mit guter Schweißbarkeit eingesetzt.

Die beiden wichtigsten Varianten sind das Laserschmelzverfahren mit synchronisierter Metallpulverzufuhr und die Laser-Pulverbettfusion. Bei der ersten Variante wird das Pulver kontinuierlich zugeführt; bei der zweiten werden aufeinanderfolgende Schichten in einem Pulverbett präzise geschmolzen, um komplexe Strukturen zu bilden.

Al-Si-Legierungen weisen gute Guss- und Warmumformungseigenschaften auf und sind Gegenstand umfangreicher Forschungsarbeiten. Forscher der Xi’an Jiaotong-Universität optimierten die Laserleistung, die Abtastgeschwindigkeit und den Rasterabstand für das selektive Laserschmelzen von AlSi10Mg und führten ein Energiedichtemodell ein, das den Zusammenhang zwischen Energieeintrag und Dichte beschreibt. Bei 4,0 bis 6,0 J/mm², lag die Dichte bei über 98%. Das Institut für Metallforschung der Chinesischen Akademie der Wissenschaften stellte AlSi10Mg-Proben mit einer Dichte von 99,63% und guten mechanischen Eigenschaften her und verglich Wärmebehandlungen für Material, das parallel zur Bauplatte ausgerichtet war. Die horizontale Zugfestigkeit im abgelagerten Zustand erreichte 478 MPa, die Dehnung betrug etwa 8% und die durchschnittliche Härte lag bei etwa 122 HV. Nach einer 4-stündigen Alterung bei 130 °C behielten die Schmelzbäder eine vollständige netzwerkartige Siliziumstruktur bei. Die Duktilität stieg auf etwa 11,91 TP33T an, während die hohe Festigkeit erhalten blieb, und die durchschnittliche Härte stieg auf 133 HV, was etwa 91 TP33T über dem Wert im abgetragenen Zustand lag.

Die Laserbearbeitung von hochfesten Aluminiumlegierungen der Serien 2xxx und 7xxx stellt nach wie vor eine Herausforderung dar. Forscher reduzieren innere Defekte und verbessern die mechanischen Eigenschaften durch Parameteroptimierung, den Einsatz von Nanopartikeln als Keimbildner, Zusammensetzungsänderungen und Nachbearbeitung. In Experimenten zur Laser-Pulverbettfusion mit 7075-Pulvern unterschiedlichen Siliziumgehalts führte die durch Silizium induzierte Kornverfeinerung zu einer deutlichen Verringerung der Mikrorisse.

Additive Fertigung von Aluminiumlegierungen mittels Elektronenstrahl

Die additive Fertigung mittels Elektronenstrahl wird je nach Ausgangsmaterial in das Elektronenstrahl-Pulverbettschmelzverfahren und die additive Fertigung mittels Elektronenstrahl mit Drahtzufuhr unterteilt.

Beim Elektronenstrahl-Pulverbettschmelzverfahren wird ein Elektronenstrahl als Wärmequelle im Vakuum eingesetzt. Durch schnelles Abtasten wird Metallpulver Schicht für Schicht erhitzt und geschmolzen, um ein Bauteil zu formen. Bei der drahtgeführten Elektronenstrahl-Additivfertigung wird der synchron zugeführte Draht mit einem hochenergetischen Strahl geschmolzen und Schicht für Schicht entlang einer CAD-definierten Bahn abgeschieden, bis ein dichtes Bauteil entsteht. Da die Absorption des Elektronenstrahls mehr als doppelt so hoch ist wie die eines Laserstrahls, birgt diese Technologie ein beträchtliches Potenzial für hochfeste Aluminiumlegierungen.

Die Forschung ist nach wie vor begrenzt und konzentriert sich hauptsächlich auf Elektronenstrahlverfahren mit Drahtzufuhr. Das NASA Langley Research Center untersuchte das Verarbeitungsfenster für die Aluminiumlegierung 2219 sowie die Auswirkungen von Vorschubgeschwindigkeit, Drahtzufuhrrate und Strahlleistung auf die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften. Brice von Lockheed Martin Space Systems stellte Proben aus der Aluminiumlegierung 2139 mittels Elektronenstrahl-Energieabscheidung her und untersuchte, wie sich die Magnesiumverdampfung auf die Ausscheidungen und die mechanischen Eigenschaften auswirkte; der Magnesiumverlust betrug während der Abscheidung 65%. Forscher der Tsinghua-Universität untersuchten die Elektronenstrahl-Pulverbettbearbeitung der Aluminiumlegierung 2024. Der Strahlstrom und die Abtastgeschwindigkeit hatten einen signifikanten Einfluss auf die relative Dichte und die Mikrostruktur. Entlang der Korngrenzen in der α-Al-Matrix bildeten sich Ausscheidungen, die Kupfer, Mangan und Eisen enthielten. Mit geeigneten Parametern wurden eine Zugfestigkeit von bis zu 314 MPa und eine Dehnung von 6% erzielt.

Lichtbogen-Additive Fertigung von Aluminiumlegierungen

Bei der Lichtbogen-Additiven Fertigung werden Bauteile Schicht für Schicht mithilfe einer Lichtbogen-Wärmequelle und einer synchronisierten Drahtzuführung hergestellt. Eine hohe Materialausnutzung, relativ niedrige Anlagenkosten und ein großer Bauraum eignen sich für große, komplexe Strukturen. Allerdings erfordern die hohe Schweißwärmezufuhr sowie die relativ schlechte Oberflächenqualität und Genauigkeit in der Regel einen erheblichen Nachbearbeitungsaufwand. Die Reduzierung der Wärmezufuhr zur Verbesserung von Genauigkeit und Oberflächenqualität ist ein zentrales Forschungsziel.

Die Forschungsergebnisse zu Legierungen der Serien 6xxx und 7xxx sind relativ begrenzt. Beim Metall-Schutzgas-Schweißen und beim Wolfram-Schutzgas-Schweißen konnten die Legierungen 4047, 5356, 2024 und 7075 erfolgreich aufgebracht werden. Die Proben wiesen eine höhere Zugfestigkeit als konventionell hergestellte Proben sowie eine feinere Kornstruktur auf.

Durch das Cold-Metal-Transfer-Verfahren wurden zudem Proben aus den Aluminiumlegierungen 2319, 5087 und 5183 hergestellt, die sich durch feine Körnung, geringe Porosität und verbesserte mechanische Eigenschaften auszeichnen. Bei den durch Kaltmetalltransfer aufgebrachten Schichten aus der Aluminiumlegierung 5336 wurden fast keine gleichachsigen oder säulenförmigen Kornstrukturen beobachtet, und die Korngröße nahm mit zunehmender Wärmezufuhr ab. Die Wärmezufuhr bestimmt Geometrie, Mikrostruktur, Defekte sowie mechanische und chemische Eigenschaften. Ungleichmäßige Erwärmung und Abkühlung während der Mehrschichtabscheidung, insbesondere bei hoher Wärmezufuhr, können zu Wärmeansammlungen, grober Körnung, Eigenspannungen und Verformungen führen. Eine erfolgreiche Bearbeitung erfordert die Steuerung von Strom, Spannung, Drahtvorschubgeschwindigkeit, Vorschubgeschwindigkeit und anderen Variablen.

Ultraschall-Additive Fertigung von Aluminiumlegierungen

Bei der Ultraschall-Additivfertigung wird hochleistungsfähige Ultraschallenergie eingesetzt. Durch die Schwingungen und die Reibung zwischen den Folienschichten aus Aluminiumlegierung entsteht Wärme, die die atomare Diffusion an den Grenzflächen fördert und eine metallurgische Verbindung im festen Zustand herstellt.

Forscher der Tohoku-Universität in Japan untersuchten die Mikrostruktur und die Verteilung an der Grenzfläche bei der ultraschallgestützten additiven Fertigung der Aluminiumlegierung 6061. Die Grenzfläche hat einen erheblichen Einfluss auf die Mikrostruktur, da die treibende Kraft für die Rekristallisation mikroskopische Phasenänderungen im Grenzflächenbereich hervorruft und sich an der Grenzfläche Poren bilden.

Der Betrieb bei niedrigen Temperaturen verhindert die Verdampfung von Legierungselementen und bewahrt die Eigenschaften der Verbindungsstellen, wodurch sich das Verfahren besonders für Aluminium eignet. Exportbeschränkungen für hochmoderne Anlagen und begrenzte inländische Forschungsaktivitäten lassen großes Forschungspotenzial erkennen. Ein vollständiges theoretisches Modell für die Atomdiffusion an der Materialgrenzfläche wurde bislang noch nicht entwickelt, und es gibt keinen einheitlichen Rahmen, der die plastische Verformung an der Grenzfläche und die Reibungserwärmung beschreibt. Weitere Entwicklungen sind für die Genauigkeit, Effizienz und Kommerzialisierung von Bedeutung.

Additive Fertigung von Aluminiumlegierungen mittels Reibungsrührverfahren

Das additive Fertigungsverfahren „Friction-Stir“ hat sich aus dem Reibschweißen entwickelt. Ein schnell rotierendes Werkzeug dringt in ein Aluminiumblech ein und bewegt sich entlang einer vorgegebenen Richtung. Durch die Reibungswärme wird das Material plastifiziert und erweicht, woraufhin es hinter dem Werkzeug fließt, um den Hohlraum auszufüllen und eine aufgebrachte Schicht zu bilden. Anschließend wird weiteres Material entlang derselben Bahn aufgetragen und verarbeitet. Die Quelle gibt an, dass die daraus resultierenden mechanischen Eigenschaften mit denen von Schmiedeteilen mithalten können, doch ein Teil dieses Satzes ist unvollständig.

Forscher der Northwestern Polytechnical University führten das additive Fertigungsverfahren mit stationärem Reibungsrührer ein und stellten erfolgreich hochfeste Bauteile aus der Aluminiumlegierung 7075-O her. Sie untersuchten das Fließverhalten des Metalls während des Auftrags und beobachteten erhebliche Abweichungen in der Mikrostruktur und den mechanischen Eigenschaften entlang der Baurichtung. Im Vergleich zur herkömmlichen Reibrührschweißtechnik mit rotierender Schulter bleibt die stationäre Schulter während des Schweißvorgangs feststehend, während sich der Stift mit hoher Geschwindigkeit dreht. Dadurch entfällt die von der Schulter beeinflusste Zone, was eine Fertigung in nahezu endgerechter Form ermöglicht.

Bei der additiven Fertigung von hochfestem 2024-Aluminium mittels Reibungsrührverfahren entstand eine rekristallisierte, feinkörnige, gleichachsige Kornstruktur. Die Korngröße nahm vom unteren zum oberen Ende des Bauwerks hin ab. Die zweite Phase löste sich wieder auf; ihr Gesamtgehalt war deutlich geringer als im Substrat, stieg jedoch von unten nach oben an. Obwohl das Vermeiden von Schmelzen und Erstarrung interne Defekte erheblich reduziert, können ungeeignete Prozessparameter dennoch Grenzflächenfehler verursachen.

Forscher des Beijing Institute of Technology haben den Umformmechanismus des Reibungsrühr-Additivfertigungsverfahrens für 2024-O-Aluminium analysiert. Sie konzentrierten sich dabei auf richtungsabhängige Unterschiede in den mechanischen Eigenschaften und deren Ursachen und erzielten eine fehlerfreie mehrschichtige, mehrdurchlaufige Abscheidung.

Entwicklungstrends

Die additive Fertigung mit Aluminium birgt großes Potenzial sowohl im militärischen als auch im zivilen Bereich, da sie komplexe Präzisionsformgebung und Leichtbau ermöglicht. Zu den wichtigsten Forschungsschwerpunkten zählen die Entwicklung neuer Verfahren sowie die eingehende Untersuchung der Zusammenhänge zwischen Verfahren, Mikrostruktur und Eigenschaften. Die Forschung muss die Spannungsentstehung erklären und die Größe sowie Verteilung der Restspannungen kontrollieren, insbesondere bei großen, komplexen Bauteilen. Außerdem muss sie den Stofftransport, die Verfestigung im Nichtgleichgewicht, die Abkühlung, die physikalische Metallurgie und die Phasenumwandlungen in mikroskaligen Schmelzbädern klären, damit die Mikrostruktur präzise gesteuert werden kann. Durch Experimente in Kombination mit numerischen Simulationen lassen sich Temperaturfelder vorhersagen und die Wärmeeinflusszonen steuern. Hybride Anlagen, die additive Fertigung und Fräsen kombinieren, können die Formgenauigkeit verbessern und eine präzise Endbearbeitung ermöglichen. Durch Prozess- und Anlagenverbesserungen lassen sich Porositäten beseitigen, die Dichte erhöhen und die mechanischen Eigenschaften insgesamt verbessern, wodurch die Technologie in Richtung höherer Genauigkeit, Effizienz und Funktionalität weiterentwickelt wird.