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Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Jean Pierre Bergmann

Fachgebietsleiter

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INHALTE

Additive Fertigung

Forschungsschwerpunkte

- Verarbeitung von metallischen Werkstoffen und Kunststoffen
- Prozesse mittels Lichtbogenverfahren und Laserstrahlung

Verantwortlicher Ansprechpartner:
Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. J. P. Bergmann


Das additive Fertigen von Strukturen und 3D-Freiformflächen ist ein Forschungsfeld des Fachgebietes Fertigungstechnik. Dabei werden metallische Werkstoffe und Kunststoffe mittels Laserstrahlung oder Lichtbogenverfahren in Schichtbauweise zu Bauteilen aufgetragen. 

Additive Fertigung eines Stehtischs

Die additive Fertigung mittels Metallschutzgasschweißen ermöglicht die wirtschaftliche und flexible Herstellung großvolumiger 3D-Bauteile. Die dabei erreichbaren Aufbauraten von bis zu 5 kg/h werden anhand eines Stehtisches als Demonstrationsobjekt aus niedriglegiertem Stahl verdeutlicht. Hierbei wurden zwei quadratische Säulen mit ca. 550 Lagen spiralförmig aufgebaut. Ebenso erfolgte die additive Fertigung der Glasplattenhalter und des Standfußes, die durch einen nachträglichen Fügeprozess angebracht wurden. Der Stehtisch weist Abmaße von 1200 x 800 mm bei einer Gesamtmasse von ca. 70 kg auf.

 

 

Additive Fertigung von individuellen 3D-Bauteilen

Die individuelle, flexible und ressourcenschonende Herstellung von 3D-Bauteilen sind einige der Hauptvorteile der additiven Fertigung. Der Einsatz des Metallschutzgasschweißens kann zur Herstellung von Freiformflächen mit angepassten Wandstärken und mechanischen Bauteileigenschaften genutzt werden. Die nebenstehende Abbildung einer architektonischen Vase verdeutlicht die Möglichkeit auf Stützstrukturen zu verzichten und Überhänge bzw. Hinterschneidungen additiv herzustellen.

 

 

Anwendung in der Fördertechnik

Der lagenweise Aufbau während der additiven Fertigung mit Lichtbogenschweißprozess ermöglicht die Herstellung komplexer Bauteile mit großvolumigen Abmaßen. Auch für den Einsatz im Bereich der Energie- und Fördertechnik besteht ein hohes Einsatzpotenzial. Beispielhaft wird hier ein Y-förmiges Rohr aus niedriglegiertem Stahl mit einer Bauteilhöhe von ca. 200 mm dargestellt. Dabei wurden 2 Anschlussflächen mittels Fräsprozess nachbearbeitet.

Einsatz im Rohr- und Leitungsbau

Im Rohr- und Leitungsbau gewinnt die additive Fertigung mittels Lichtbogen zunehmend an Bedeutung. Die additive Herstellung von Flanschen in den unterschiedlichsten Dimensionen gewährleistet höchstmögliche Flexibilität und Produktivität beginnend bei Losgröße Null. Der abgebildete Flansch aus dem Material G4Si1 wurde nach der Fertigung im CMT-Verfahren konventionell zerspanend bearbeitet, wobei der geringe nachträgliche Materialabtrag eine hohe Endkonturnähe des additiv gefertigten Bauteils verdeutlicht.

Additives Fertigen von Freiformstrukturen

In der Abbildung dargestellt sind mittels MSG-Verfahren additiv gefertigte bionische Freiformstrukturen aus dem Werkstoff AlMg3. Mit dem CMT-Print Verfahren können abgeschmolzene Einzeltropfen im schichtweisen Aufbau zu beliebigen geometrischen 3D-Strukturen gestaltet werden. Beispielhaft dargestellt sind eine zylindrische Spiralstruktur (links), ein 6-schenkliger Greifer (rechts oben) sowie eine spiralförmige Federstruktur (rechts unten).

Anwendungen in der Fahrzeugtechnik

Durch die Ausnutzung der Potenziale des CMT- und CMT-Print-Verfahrens ist es möglich komplexe Bauteile mit aufeinanderfolgenden Fertigungsschritten zu erzeugen. In der Abbildung ist beispielhaft die additive Fertigung einer innenbelüfteten Bremsscheibe aus AlMg3 mit den realen Abmaßen handelsüblicher Bauteile dargestellt.  Grund- und Decklage wurden mittels Drehtisch rotatorisch im CMT-Prozess aufgetragen, wohingegen die Belüftungsstrukturen über den CMT-Print-Prozess realisiert wurden. 

Verschleißschutz von Funktionsflächen

Durch den Einsatz unterschiedlicher Legierungssysteme in 3D-Strukturen kann das Potenzial lichtbogenbasierter, additiver Fertigungsverfahrens zusätzlich gesteigert werden. Die nebenstehende Abbildung verdeutlicht den lagenweisen Aufbau einer Grundstruktur aus austenitischem Stahl mit einer zusätzlichen Hartstofflage aus Nickel mit eingelagerten Wolfram-Schmelzkarbiden. Somit können die tribologischen Verschleißeigenschaften an hochbeanspruchten Funktionsflächen gezielt verbessert werden.

Einsatz im Turbinen-/Pumpenbau

Im Bereich der Energietechnik können additiv gefertigte Pumpenlaufräder, Turbinenschaufeln oder Verdichter individuell nach Kundenspezifikation hergestellt werden. Die Abbildung verdeutlicht den lagenweisen Aufbau unterschiedlicher 3D-Freiformflächen zur Herstellung eines Pumpenlaufrades aus rostfreiem, austenitischen Stahl mittels CMT-Verfahren.