Materialforschung für die Luft- und Raumfahrt Neutronenmethoden verbessern 3D-Druck von Aluminium

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Technische Universität München

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Wie lassen sich besonders leichte und dennoch extrem belastbare Aluminiumbauteile für die Luft- und Raumfahrt im industriellen 3D-Druckverfahren herstellen? Diese Frage steht im Mittelpunkt des neuen, vom Bund geförderten Forschungsprojekts Aluminium aus Additiver Fertigung (AlaAF).

Die Technische Universität München (TUM) mit ihrem Forschungsreaktor FRM II, das Unternehmen Colibrium Additive und die Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) wollen gemeinsam Lösungen für die Herstellung besonders leichter und gleichzeitig belastbarer Bauteile für die Luft- und Raumfahrt entwickeln.

Im Fokus steht dabei das sogenannte Laser Powder Bed Fusion (LPBF)-Verfahren, ein additiver Fertigungsprozess, bei dem Metallpulver Schicht für Schicht mithilfe eines Lasers zu hochpräzisen Bauteilen verschmolzen wird. Dieses Verfahren ermöglicht eine große Designfreiheit. Es ließ sich jedoch bisher zum Beispiel nicht bei hochfesten Aluminium-Legierungen einsetzen, wie sie für tragende Strukturelemente in Flugzeugen und Raumfahrtgeräten benötigt werden, da diese bei der Abkühlung zur Bildung von Rissen neigen.

Keramikpartikel als "Mikro-Baumeister"

Das Projekt verfolgt einen neuen Ansatz, bei dem spezielle Zusatzstoffe im Metallpulver während des Druckprozesses chemisch reagieren und fein verteilte keramische Partikel im Submikrometerbereich bilden. Diese Partikel beeinflussen das Kristallwachstum im Material, indem sie eine feinkörnige, gleichmäßige Mikrostruktur fördern und somit die Entstehung von Rissen reduzieren. Damit wird die industrielle Nutzung der bislang als kaum druckbar geltenden Aluminium-Legierungen möglich, was klare Vorteile bedeutet, wie geringeres Gewicht, höhere Belastbarkeit und eine nachhaltigere Fertigung durch Materialeinsparung.

Forschungspartner mit klaren Kompetenzen

Bei dem vom Bundesministerium für Bildung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) mit einer Summe von 1,17 Millionen Euro geförderten Projekts im Rahmen des Aktionsplans zur Erforschung von Universum und Materie (ErUM) arbeiten die drei Forschungspartner eng zusammen:

Das 3D-Druck-Unternehmen Colibrium Additive bringt aktuelle industrielle Technologie ein und entwickelt gemeinsam mit der TUM und der FAU die geeigneten Prozessparameter für das LPBF-Verfahren. Die FAU analysiert hierzu insbesondere mit mikroskopischen Methoden die gedruckten Materialien und deren mechanischen Eigenschaften. Die Forschenden am FRM II sind verantwortlich für die umfassende Untersuchung und Qualitätsprüfung der Werkstoffe mittels Neutronenmethoden.

Qualitätsprüfung mit Neutronenmethoden

Dabei kommen am FRM II mehrere spezielle Verfahren zum Einsatz: Mit der Neutronendiffraktion lassen sich Phasenverteilungen und innere Spannungen, zentrale Größen für die Bewertung von Festigkeit und Stabilität, präzise bestimmen. Die Neutronenbildgebung (Radiographie und Tomographie) ermöglicht es, selbst feinste Risse oder Poren zerstörungsfrei und tief im Inneren der Proben sichtbar zu machen. Generell wird die größere Sensitivität der Neutronen im Gegensatz zu Röntgenstrahlung genutzt, um die Mikrostruktur des Materials besser zu verstehen.

Dr. habil. Ralph Gilles, Projektleiter der TUM und Sprecher des Konsortiums, erläutert den besonderen Vorteil dieser Methoden: „Neutronen haben eine hohe Eindringtiefe und eignen sich daher hervorragend zur Analyse großer, additiv gefertigter Bauteile für die Industrie – eine Aufgabe, die mit anderen Techniken so nicht möglich wäre.“

Zusätzlich erlaubt die Kombination von Neutronenexperimenten mit mechanischer Belastung und Temperaturvariation an einer am FRM II eigens entwickelten Prüfmaschine eine realitätsnahe Simulation industrieller Einsatzbedingungen. So kann das Materialverhalten unter typischen Betriebsbedingungen erfasst werden.

Weitere Informationen:

Forschungs-Neutronenquelle
Heinz Maier-Leibnitz (FRM II): https://www.frm2.tum.de/frm2/startseite/

Aktionsplan ErUM Transfer: https://www.bmftr.bund.de/SharedDocs/Publikationen/DE/7/765236_Aktionsplan_ErUM-Transfer.html?templateQueryString=DATI

AlaAF: https://mlz-garching.de/wissenschaft-und-projekte/foerderprojekte.html