Die additive Fertigung von Metallen ermöglicht leichte Bauteile mit Geometrien, die sich mit herkömmlichen Verfahren nur schwer oder gar nicht herstellen lassen. Allerdings weisen 3D-gedruckte Metallbauteile häufig vergleichsweise raue Oberflächen auf, die für anspruchsvolle Anwendungen gezielt bearbeitet werden müssen.
Die Forschenden kombinierten dazu zwei Laserverfahren in einem Fertigungssystem. Zunächst glättete das Laserpolieren die raue Oberfläche berührungslos. Anschließend erzeugte das Direct Laser Interference Patterning (DLIP) definierte Mikrostrukturen auf ausgewählten Bereichen. Dadurch ließen sich die Oberflächeneigenschaften gezielt an die jeweilige Anwendung anpassen.
„Mit CLASCO haben wir gezeigt, dass wir die Oberfläche komplexer 3D-gedruckter Metall-Bauteile bedarfsrecht gestalten und gleichzeitig den Bearbeitungsprozess digital überwachen können. Damit schaffen wir eine wichtige Grundlage, um solche Bauteile künftig effizienter für anspruchsvolle industrielle Anwendungen nutzbar zu machen“, sagt Prof. Andrés Fabián Lasagni, Inhaber der Professur für Laserbasierte Fertigung an der TUD und Koordinator des CLASCO-Projekts.
Den Leichtbau im Fokus
Bereits bei der Konstruktion nutzten die Forschenden die Gestaltungsfreiheit der additiven Fertigung, um Material und Gewicht einzusparen. Bei zwei Demonstratoren für die Luft- und Raumfahrt erzielten sie mithilfe der Topologieoptimierung deutliche Gewichtseinsparungen: Das Gewicht eines A350-Befestigungswinkels sank um rund 53 Prozent, das eines entsprechenden Hebels um rund 38 Prozent.
Nach der additiven Fertigung wurden die Oberflächen mit der neuen laserbasierten Prozesskette bearbeitet. Das Laserpolieren reduzierte die typische Oberflächenrauheit nach dem 3D-Druck von etwa 10 bis 30 Mikrometern auf weniger als einen Mikrometer. Anschließend erzeugte DLIP regelmäßige Strukturen im Mikrometerbereich. Damit ließen sich Eigenschaften wie Benetzbarkeit und Korrosionsverhalten sowie die Wechselwirkung von Implantatoberflächen mit biologischen Materialien gezielt verändern.
Schwerpunkt Nachhaltigkeit
Die Untersuchungen zeigten, dass additive Fertigung nicht automatisch nachhaltiger ist, nur weil sie bei der Herstellung Material einspart. Für eine fundierte Bewertung müssen alle Schritte der Prozesskette berücksichtigt werden. Dazu gehören unter anderem die Herstellung, Rückgewinnung und Wiederverwendung des Metallpulvers, die Bearbeitungszeit, der Energiebedarf und der Verbrauch von Inertgasen.
Insbesondere die Wiederverwendung von Metallpulver und eine effiziente Nachbearbeitung erwiesen sich als wichtige Faktoren für eine nachhaltigere additive Metallfertigung. Die Ergebnisse zeigen damit auch, unter welchen Bedingungen sich die entwickelten Technologien besonders ressourceneffizient einsetzen lassen.
Nach dem formalen Abschluss von CLASCO wollen die Projektpartner die Technologien weiterentwickeln und in die industrielle Praxis überführen. Vorgesehen ist eine Nutzung für industrielle Systeme, Bearbeitungsdienstleistungen, Technologielizenzen, Auftragsforschung und Folgeprojekte. Die nächsten Arbeiten sollen die Prozesse robuster und effizienter machen und weitere industrielle Anwendungen erschließen. Neben der Luft- und Raumfahrt und der Medizintechnik kommt der Ansatz überall dort infrage, wo komplexe Metallbauteile Oberflächen mit genau definierten Eigenschaften benötigen.
Über CLASCO
CLASCO lief vom 1. Januar 2023 bis zum 30. Juni 2026 und verfügte im Rahmen von Horizon Europe über ein Gesamtbudget von rund 4,83 Millionen Euro. Das von der TU Dresden unter Leitung von Prof. Andrés Lasagni koordinierte Konsortium vereinte 13 Partner aus sechs europäischen Ländern.
Zum Konsortium gehörten die TU Dresden, CATEC, SYLAS, New Infrared Technologies, Z Prime, ABCircular, Airbus Defence and Space, CT Ingenieros, die Deutsche Gesellschaft für Materialkunde, SurFunction, DePuy Ireland, Steinbeis 2i und nLIGHT. Weitere Informationen: https://clasco-project.eu/
Kontakt
Prof. Andrés Fabián Lasagni
Professur für Laserbasierte Fertigung
Institut für Fertigungstechnik
E-Mail: andres_fabian.lasagni@tu-dresden.de