Laufende Verbundprojekte

Das Ziel des Projekts HoLiB ist die Produktivitätssteigerung in der Zellherstellung von LiB durch eine konsequente Integration bahngebundener, rotativer Verarbeitungsprozesse. Dazu werden der Batteriebranche derzeit fremde Fertigungsprinzipien auf die Anforderungen von LiB adaptiert und zu einem neuartigen Gesamtprozess der Zellherstellung kombiniert. Aus diesem übergeordneten Ziel leiten sich die nachfolgend genannten wissenschaftlichen und technischen Arbeitsziele für dieses Teilvorhaben ab, die im Projekt experimentell nachgewiesen und prozess- und systemtechnisch umgesetzt werden.

Das Gesamtprojekt sieht die Entwicklung eines Stapelrades zum Ablegen der Elektroden vor. Die angestrebte Taktzeit beträgt 0,1s. Die einzelnen Elektroden erfordern eine elektrische Kontaktierung, welche in diesem Teilvorhaben mittels Laserstrahlschweißen durchgeführt wird. Dafür werden zwei verschiedene Ansätze zur Kontaktierung verfolgt, um die im Stapelprozess erreichte Lage zu sichern und gleichzeitig eine Kontaktierung unter Hochgeschwindigkeit zu erreichen. Zum einen sollen die einzelnen Folien gleich bei der Ablage an die vorhergehende angeschweißt werden. Zum anderen werden die Folien nur geheftet und in einem nachfolgenden Schritt vollständig mit dem Zellableiter verschweißt. Zur Verbindung der Aluminium und Kupfer Folien werden Strahlquellen mit verschiedenen Wellenlängen eingesetzt, um den die Absorptionseigenschaften der Werkstoffe für einen effizienten Schweißprozess zu nutzen. Ergebnis des Teilvorhabens ist somit die Bereitstellung von Prozessparametern und Konzepten für die Umsetzung der Laserschweißkontaktierung in einer Hochgeschwindigkeits-Fertigungslinie.

Zusammengefasst werden im Rahmen des Teilvorhabens die folgenden Ziele verfolgt:

• Realisierung eines Heftkonzeptes der einzelnen Folien in Bezug auf Geschwindigkeit (Taktzeit < 0,1 s) und Handhabbarkeit
• Entwicklung einer positionshaltenden Andruckvorrichtung für die Ableiterfahnen zur Generierung eines Nullspalts
• Entwicklung eines Laserstrahl-Mikroschweißprozesses der Elektrodenfolien mit einer geringen Nahtoberflächenrauheit (Ra < 0,5 µm und Rmax < 30 µm)
• Integrierung einer Prozesskontrolle und Prozesssicherung zur Aufnahme der rückreflektierten Strahlung, des Plasmaleuchtens und der thermischen Strahlung

Projektpartner sind, neben dem Fraunhofer ILT,  das Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik als Projektkoordinator und das Institut für Füge- und Schweißtechnik, beide TU Braunschweig, sowie das Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb der TU Berlin.

Die deutsche Leuchtenindustrie steht heute in einem globalen Wettbewerb und verlangt deshalb nach Technologien, mit denen sich Leuchtpaneele ressourcen- und kosteneffizienter als bisher herstellen lassen. Im Projekt »KonFutius« wird gemeinsam mit sechs Partnern eine neue Paneelleuchte entwickelt, in der Faserverbundkunststoffe und elektronische Komponenten integriert werden. Die Leuchte verbraucht im Vergleich zu konventionellen Halogenlampen nicht nur weniger Energie, auch die Herstellungskosten sind bis zu 60 Prozent geringer.

Ziel des Interreg-NWE-Projektes BONE, geleitet durch Professor Lorenzo Moroni, MERLN Institut, Maastricht University, ist es, neue Methoden für die verbesserte Therapie von Knochenbrüchen zu erforschen und dabei die Leistungsfähigkeit der Nord-West-Europäischen Wirtschaft zu stärken. Das Projekt mit einer Laufzeit von vier Jahren hat im März 2017 begonnen. Zusammengeschlossen haben sich dazu acht Partner aus Industrie und Forschung aus den Niederlanden, Deutschland, England, Irland, Frankreich und Belgien.

Das Vorhaben verfolgt das Ziel, ein künstliches Blutgefäßsystem für die Herstellung von biotechnologisch generiertem Herzmuskelgewebe zu entwickeln. Damit wird ein wichtiger Schritt in Richtung voll funktionsfähiger künstlicher Gewebe und Organe unternommen.

Die Multiphotonenpolymerisation (MPP) erlaubt die Herstellung von präzisen Bauteilen mit einer Auflösung < 1 µm durch Photovernetzung. Bedingt  durch die hohe Auflösung sind die Bauraten aber so klein, dass eine wirtschaftliche Fertigung von Bauteilen kaum möglich ist. 

Durch Kombination von MPP mit einem Projektionsverfahren zur Vernetzung großer Flächen (DLP) kann die Baurate für ein typisches Mikrofluidikbauteil so gesteigert werden, dass wirtschaftliche Lösungen möglich werden.

Im BMBF-geförderten Projekt MeKuMed entwickeln sieben Partner aus Industrie und Wissenschaft eine verkürzte und automatisierte Fertigungskette für hybride Medizintechnikprodukte. Durch die Kombination von Technologien aus der Laser- und Kunststoffbearbeitung und die Zusammenlegung herkömmlicher Prozessschritte lassen sich Produktionszeiten verkürzen und Produktqualitäten gleichzeitig verbessern.

Anhand der effizienten Herstellung von pharmazeutischen Bördelkappen werden die Projektpartner das Potential der neuen Fertigungskette demonstrieren, bei der u. a. die laserbasierte Mikrostrukturierung von Aluminium zum Einsatz kommt. Durch Hinterspritzen werden nach der Laserbearbeitung formschlüssige Kunststoff-Metall Verbindungen erzeugt.

Ziel des Vorhabens MultiPROmobil ist die Erforschung einer integrierten Fertigungs- und Systemtechnik, mit der ohne Wechsel der Fertigungsausrüstung bionisch basierte Leichtbaustrukturen mit mehreren Fertigungsverfahren in einer einzigen Vorrichtung effizient hergestellt werden können. Dazu soll eine flexible und rekonfigurierbare Laserrobotertechnologie für das integrierte Schneiden, Schweißen und Generieren mit einem Bearbeitungskopf erforscht und demonstriert werden. Diese integrierte Prozesskette soll die Anbieter und Anwender der von KMUs geprägten Laserbranche in NRW maßgeblich stärken und insbesondere der aufstrebenden E-Mobil-Produktion in NRW nachhaltige Agilität verschaffen.

LEMON wird ein neues, vielseitiges DIAL-Sensorkonzept (Differential Absorption Lidar) zur Messung von Treibhausgasen und Wasserdampf aus dem Weltraum zur Verfügung stellen.

Auf der Klimakonferenz in Paris im Dezember 2015 wurden Klima-Warngrenzen diskutiert und vereinbart. In diesem Zusammenhang wurde der Bedarf an einem europäischen satellitengestützten Beobachtungssystem zur Überwachung der CO₂-Emissionen auf globaler, europäischer und länderspezifischer Ebene ermittelt, wie im Kopernikus-Bericht »Towards European operational observing system monitor fossil CO₂ emissions« festgehalten.

Neue Raumfahrtmissionen für die Messung von CO₂ und/oder CH₄ werden nun geplant (OCO, IASI-NG, MicroCarb, MERLIN,...) oder sind bereits im Einsatz (GOSAT, AIRS, IASI,...). Angesichts der technischen Herausforderungen basieren sie bisher hauptsächlich auf passiven Instrumenten (hochauflösenden Spektrometern). Derzeit ist in Europa die Lidar-basierte Mission MERLIN (Methane Remote Sensing LIDAR-Mission) in Entwicklung, im Rahmen derer die Methangaskonzentration der Atmosphäre vermessen und kartiert werden soll.

Das Hauptziel von LEMON ist es, ein vielseitiges Instrument zu entwickeln, das in der Lage ist, CO₂, CH₄ sowie Wasserdampf-Isotope (H₂¹⁶O und HDO) mit einem einzigen Laseremitter zu erfassen.

Die Partner des Konsortiums sind ONERA (FR), Fraunhofer (DE), CNRS (FR), KTH (SE), SpaceTech (DE), UiB (NO), InnoLas (DE) und L-UP (FR). Sie verfügen über umfassende Expertise im Bereich der Erdbeobachtungstechnologien – von Empfänger-Technologien über die Datenerfassung und die Gerätesteuerung bis hin zu vielseitig einsetzbaren Sendern – und sind daher in der Lage, die anvisierten Vorteile vollständig zu erforschen, zu verstehen und zu validieren. Das Konsortium visiert an, Demonstrationen für alle technischen Level der Instrumente aufzubauen und durchzuführen, um die Projektergebnisse zu präsentieren. Dazu gehören der Instrumentenaufbau, die TRL6-Gerätevalidierung, flugzeuggestützte Demonstrationen und Messungen von CO₂, CH₄ und H₂O-Isotopen sowie Roadmaps und Vorversuche zum Weltraumbetrieb.

Die Fördersumme der Europäischen Kommission für das gesamte LEMON-Konsortium beträgt 3 374 725 €. Das Projekt wird innerhalb von 48 Monaten durchgeführt.

Maßgeschneiderte Lasertechnik für den Einsatz im Orbit

Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT entwickelt seit vielen Jahren Technologien für raumfahrttaugliche Laser. Eine besondere Aufgabe liegt in der Entwicklung eines Lasersystems für die satellitengetragene Messung klimarelevanten Methans. Im Rahmen der deutsch-französischen Klimaforschungsmission »MERLIN« soll dazu ein Licht-Radar (LIDAR) eingesetzt werden, das mittels Laserpulsen die Konzentration des Methans in der Atmosphäre misst und dabei, anders als bisher, unabhängig von Sonnenlicht ist. Die Anforderungen an das Lasersystem sind hoch. Es muss trotz hoher Vibrationslasten und Temperaturschwankungen über Jahre wartungsfrei im All arbeiten. Hierzu entwickelten unsere Wissenschaftler im Rahmen des Projektes »Optomech II/III« (gefördert durch BMWi) eine neue optomechanische Aufbaumethode. So können notwendige Komponenten präzise und stabil in die LIDAR-Laserstrahlquelle integriert werden. Diese basiert auf einer Technologieplattform, die innerhalb des »FULAS« Projektes (gefördert durch ESA) entwickelt wurde. Erste Thermaltests unter realistischen MERLIN-Bedingungen hat das System erfolgreich abgeschlossen. Der Start der MERLIN-Mission ist für 2021 geplant. Der deutsche Teil des MERLIN-Projektes wird durch das BMWi gefördert.

Im Rahmen des Verbundprojekts REMULAN entwickelt das Fraunhofer ILT gemeinsam mit Partnern aus der Industrie ein laserbasiertes Beschichtungsverfahren zur Herstellung Sol-Gel-basierter Anti-Haft-Schichten und die dafür notwendigen Materialien. Das Verfahren soll zur nachhaltigen Reduzierung des Materialeinsatzes, des Energieverbrauchs und der damit verbundenen klimaschädlichen Emissionen sowohl in der Herstellung als auch in der Anwendung von mit Anti-Haft-Schichten versehenen Maschinenkomponenten führen.

Mikroplastik gelangt tagtäglich in unser Abwasser und in die Umwelt. Kläranlagen sind bislang kaum in der Lage Mikroplastik im Abwasser ausreichend zu reduzieren. Aus diesem Grund fokussieren sich die SimConDrill-Projektpartner auf die Entwicklung eines serienreifen Filters, der die Filtration von Mikroplastikpartikeln bis 0,01mm (dies entspricht ca. der Dicke von Küchenalufolie) auf Basis des patentierten Zyklonfilters ermöglicht. Durch seine spezielle Technik ist dieser verstopfungs- und wartungsfrei und kein Wegwerffilter. Nach erfolgreichem Aufbau wird der Zyklonfilter in einer Kläranlage an realem Abwasser getestet.

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung der additiven Fertigung mittels Laser Powder Bed Fusion (LPBF) von Gewindewerkzeugen aus Schnellarbeitsstahl, welche durch maßgeschneiderte Kühlkanalgeometrien zu einer gesteigerten Prozesssicherheit und Standzeit im Einsatz vor allem bei KMU führen. Die wirtschaftliche additive Fertigung wird durch die Betrachtung und Anpassung der gesamten Herstellungsprozesskette der Gewindewerkzeuge systematisch untersucht.

Zur Erarbeitung der Zielstellung wird eine wirtschaftliche Verarbeitung eines rissanfälligen Schnellarbeitsstahls mittels LPBF unter möglichst geringen geometrischen Restriktionen für komplexe Bauteile untersucht. Die Nachbearbeitung der additiven Bauteile mittels heißisostatischem Pressen (HIP) und Wärmebehandlung sowie die resultierenden mechanischen Kennwerte werden ermittelt, um eine wirtschaftliche Herstellungsprozesskette für additive Bauteile aus Schnellarbeitsstahl zu definieren. Ausgehend von den Randbedingungen wird die KSS-Zufuhr von Gewindewerkzeugen strömungsmechanisch optimieret, um Druckverluste im Werkzeug zu reduzieren. In Kombination mit einer FEM-Simulation wird iterativ das Werkzeugdesign überarbeitet, um bei möglichst stabilem Werkzeug die bestmögliche Fluidströmung zu gewährleisten.

Das übergeordnete Projektergebnis sind Gestaltungsrichtlinien zur Auslegung und Fertigung von Werkzeugen wodurch KMU ermöglicht wird, die Ergebnisse aus dem Vorhaben unmittelbar in ihrer Produktion umzusetzen. Der technologische Vorsprung für KMU durch die erhöhten Freiheitsgrade der additiven Fertigung leistungsfähigere Gewindewerkzeuge zu fertigen und in der Fertigung einzusetzen, führt zu einem langfristigen Ausbau von Wettbewerbsvorteilen.

Im Rahmen des Projekts »AddToP« entwickelt das Fraunhofer ILT gemeinsam mit Partnern aus der Industrie einen Technologieprozessor für das Laser Powder Bed Fusion (LPBF) Verfahren zur additiven Fertigung von Bauteilen aus Ti6Al4V. Der Technologieprozessor ermöglicht die Anpassung der verwendeten Prozessparameter an die spezifische Bauteilgeometrie sowie die Anforderungen des Anwenders. Auf diese Weise kann der additive Fertigungsprozess zielgerichtet an die jeweiligen Erfordernisse der Applikation angepasst und Prozessgeschwindigkeit, -robustheit sowie Bauteilqualität gesteigert werden.

Das AMable-Projekt erleichtert die Einführung der additiven Fertigung in Unternehmen. Die Partner – Institute und Unternehmen mit langjähriger Erfahrung im Bereich der additiven Fertigung – bieten europäischen KMU, Mittelständlern und der Industrie umfassendes Wissen und Unterstützung. Die Experten begleiten jede Idee von Anfang an bis zum ersten Prototyp – jede Herausforderung erhält eine Business-Case-Bewertung, um das Potenzial der Idee zu identifizieren, die geeignete Unterstützung zu ihrer Entwicklung und eine Roadmap zum Produktionsstart für einen erfolgreichen Markteintritt.

AMable implementiert das Prinzip des Industrial Dataspace (IDS) für Additive Manufacturing, das dem Paradigma folgt, die Daten dem Eigentümer zu überlassen, um ihm die volle Kontrolle über sein geistiges Eigentum zu geben. AMable bietet auch eine Blockchain-App, die eine kontinuierliche, gesicherte Dokumentation der Erstellung und Veränderung über die gesamte Produktentstehung hinweg ermöglicht. Dateneigner können diese App verwenden, um ihre Dateien mit einem digitalen Fingerabdruck für eine spätere Referenz oder für eine Inhaltsintegritätsprüfung zu verknüpfen.

Die Machbarkeit der funktionalen Anforderungen wird durch Gestaltungsempfehlungen der Experten sichergestellt, die mit modernsten Konstruktions- und Simulationstools arbeiten. Dienstleistungen im Bereich der Visualisierung umfassen beispielsweise neue Technologien in der virtuellen und erweiterten Realität (VR und AR). Komplette Anwendungsfälle werden im AMable Digital Innovation Hub (DIH) gespeichert, um eine Vielzahl bereits vorhandener Lösungen für neue Projekte bereitzustellen.

Die Europäische Kommission unterstützt das Projekt AMable, das vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT im Rahmen der Initiative I4MS koordiniert wird.

Der BMBF-Forschungscampus Digital Photonic Production (DPP) ist die Keimzelle des Clusters Photonik auf dem RWTH Aachen Campus. Das Cluster Photonik, eines von sechs Startclustern auf dem RWTH Aachen Campus, ist spezialisiert auf die Erforschung und Entwicklung von Verfahren zu Erzeugung, Formung und Nutzung von Licht, insbesondere als Werkzeug für die industrielle Produktion.

Projektziel des Forschungsvorhabens EFFPROVIA ist die wesentliche Steigerung der Effizienz des LPBF-Verfahrens, einerseits durch die Reduzierung der Prozessnebenzeiten mittels vibrationsangeregtem und beschleunigtem Pulverauftragsprozess und andererseits durch die Verarbeitbarkeit von kostengünstigeren, wasserverdüsten Pulverwerkstoffen. Mit projektbegleitenden Analysen der mechanischen Eigenschaften von Probekörpern soll die Anwendbarkeit der im Projekt entwickelten Verfahrensmodifikationen abgesichert werden. So können die Ergebnisse auf konkrete Anwendungsbeispiele von KMU übertragen werden, ohne dass diese aufwendige Material- und Anlagenqualifizierungsprozesse durchführen müssen.

Ziel des Verbundprojekts ist die Entwicklung eines energieeffizienten laserbasierten Produktionsverfahrens für tribologische Beschichtungen auf hochbelasteten Komponenten basierend auf dem Hochleistungspolymer Polyetheretherketon (PEEK).

Das innovative Verfahren ermöglicht eine signifikante Steigerung der Energieeffizienz, eine nachhaltige Reduktion des Materialverlustes sowie die Vermeidung des Einsatzes von chemischen Reinigungsmitteln und Strahlmedien.

Ziel des Projektes FOCUS ist die Entwicklung eines flexiblen Laserbearbeitungszentrums auf der Basis eines kommerziellen 6-Achs-Roboters. Mit Hilfe einer sensorgestützten Positionserfassung und –kontrolle sollen Genauigkeiten von <10 µm erreicht werden. Darüber hinaus sollen mit der Entwicklung eines fasergeführten Ultrakurzpulslasers neben der gesteigerten Präzision weitere Anwendungsbereiche hinsichtlich Oberflächenfunktionalisierung erschlossen werden. Im Gegensatz zu längeren Pulsdauern im Nanosekundenbereich wird unter gleichbleibender Produktivität eine deutlich gesteigerte Oberflächengüte erzielt.

Generative Fertigungsverfahren bieten das Potenzial, die industrielle Produktion flexibler zu gestalten und zu vernetzen Kunden und Geschäftspartner stärker in den Produktionsprozess einzubinden. Mit additiven Laser- oder Elektronenstrahlverfahren lassen sich selbst sehr komplexe Strukturen ohne großen Mehraufwand herstellen. Dies öffnet die Tür zu einer Massenfertigung individualisierter Produkte. Doch die Fertigungsprozesse für additiv gefertigte Bauteile sind noch sehr zeitintensiv und kostspielig, da die einzelnen Prozessschritte größtenteils isoliert voneinander ablaufen und mit vielen manuellen Eingriffen verbunden sind. Die Verknüpfung der Prozessschritte bei der additiven Fertigung birgt deshalb großes Potenzial zur Einsparung von Zeit und Fertigungskosten.

Durch die im Forschungsvorhaben zu entwickelnde Systemtechnik soll die effiziente Herstellung von Druck- und Prägewalzen mit einer Strukturauflösung von unter 1 µm ermöglicht werden. Mithilfe solcher laserstrukturierten Walzen soll die Grundlage für die Massenproduktion gedruckter Elektronik im Rolle-zu-Rolle-Verfahren geschaffen werden. Zur Realisierung größtmöglicher Präzision und Strukturauflösung wird eine ultrakurz gepulste UV-Laserstrahlquelle eingesetzt, während die Effizienz über einen Multistrahlaufbau gesteigert werden soll.

Eine starke Fokussierung des Laserstrahls führt jedoch zu einer sehr geringen Tiefenschärfe im Mikrometerbereich. Dies ist insofern problematisch, da der Rundlauf eines Zylinders während des Strukturierungssprozesses nicht beliebig präzise eingestellt werden kann und extrem hohe Anforderungen an die Genauigkeit gestellt werden. Innovative Lösungsansätze zur Vergrößerung der Tiefenschärfe oder zur Regelung der Fokuslage müssen daher im Rahmen des Projektes evaluiert werden.

LASHARE ist ein Projekt an dem mehr als 30 Klein- und Mittelständische Unternehmen aus ganz Europa, Industriepartner und sechs der bekanntesten Laserforschungseinrichtungen beteiligt sind. LASHARE wird durch das Fraunhofer ILT koordiniert und im Rahmen des »Seventh Framework Programme« der Europäischen Union unter dem Kennzeichen 609046 gefördert.

Das Hauptziel besteht in einem Wissensaustausch im Bereich der laserbasierten Fertigung und dessen Nutzen entlang der gesamten Wertschöpfungskette. Als wichtiger Erfolgsfaktor für die europäische Fertigung steht der Transfer von innovativen Lösungen vom Labor in industriell robuste Produkte und deren Verbreitung im Mittelpunkt des Projekts.

PhotonHub Europe ist eine europäische Initiative für kleine und mittlere Unternehmen (KMU). Mehr als 50 Forschungszentren aus dem Bereich Photonik unterstützen mit ihren Angeboten die Nutzung photonischer Technologien in den KMU. Eben diese Technologien sind in acht Plattformen entlang unterschiedlicher Anwendungsbereiche gegliedert. Diese reichen von Komponenten wie Lichtleitfasern über Halbleiterschaltungen mit integrierten photonischen Funktionen (Photonics Integrated Circuit / PIC) bis hin zu laserbasierten Anwendungsverfahren. Ziel des PhotonHub Europe ist dabei der Transfer komplexer Technologien in Unternehmen hinein, sodass diese damit ihre Innovationskraft stärken und ihre Produkte verbessern.

Bei der konventionellen Verarbeitung von Werkzeugstählen mittels dem additiven Fertigungsverfahren Laser Powder Bed Fusion (LPBF) neigen diese aufgrund innerer Spannungen (Analogie zum Schweißen) zur Rissbildung. Dies gilt insbesondere für hochlegierte, karbidhaltige, abrasionsbeständige Werkzeugstähle. Durch Anpassungen von Verfahrensprozessparametern wie der Vorheiztemperatur oder der Scanstrategie kann die Rissbildung bei kleinen simplen Bauteilen noch vermieden werden. Mit der Bauteilgröße und ‑komplexität steigt jedoch die Höhe der inneren Spannungen, womit technisch relevante Werkzeuge aus Werkzeugstählen gegenwärtig nicht mittels LPBF hergestellt werden können. Ein nachgeschaltetes Heißisostatisches Nachverdichten (HIP) reduziert zwar Poren und innere Mikrorisse, jedoch keine makroskopischen Risse.

In diesem Vorhaben sollen gemeinsam mit Partnern aus der Industrie für zwei modifizierte Schnellarbeitsstähle der Nachweis erbracht werden, dass diese mit LPBF rissfrei zu Bauteilen verarbeitet werden können. Das Ziel ist hierbei die Erarbeitung einer angepassten LPBF-Prozessführung für komplexe Strukturen und der Nachbearbeitungs-Prozesskette „Heißisostatisches Nachverdichten (HIP) – Zerspanung – Vergütung“ sowie der Nachweis einer hohen Schwing-, Wälz- und abrasiven Verschleißbeständigkeit. Gestaltungsrichtlinien für die Fertigung komplexer Bauteile mittels LPBF und HIP-Vergütung sowie die Angaben mechanischer Kennwerte in Datenblättern sollen KMU dazu befähigen, die LPBF-Verarbeitung von Schnellarbeitsstählen in ihren eigenen Geschäftsbereichen mit minimalen betriebswirtschaftlichen Risiken zu integrieren.

Im Forschungsvorhaben »TaCoMA« werden die Grundlagen zur Herstellung additiv gefertigter Fräswerkzeuggrundkörper systematisch erforscht. Die übergeordneten Projektziele sind die Herstellung verbesserter Fräswerkzeuge aus einem maßgeschneiderten bainitischen Stahl mittels dem additiven Fertigungsverfahren Laser Powder Bed Fusion (LPBF) sowie die Ableitung von Gestaltungsrichtlinien zur Umsetzung in der Industrie. In jüngsten Forschungsarbeiten konnte gezeigt werden, dass durch die zielgerichtete Kühlschmierstoffzufuhr die Produktivität von Walzenstirnfräsern um 50 Prozent gesteigert werden kann. Jedoch ist die Fertigung der dafür notwendigen komplexen Kühlkanäle zeit- und kostenintensiv.

Die zentrale Innovation des Vorhabens besteht neben der Qualifizierung eines neuen Werkstoffs darin, die erhöhten Freiheitsgrade der additiven Fertigung für die Herstellung leistungsfähiger Fräswerkzeuge nutzbar zu machen. In zerspantechnologischen Untersuchungen wird die Leistungsfähigkeit der Werkzeuge validiert.

Zur Auslegung additiv gefertigter Zerspanwerkzeuge werden allgemein anwendbare Gestaltungsrichtlinien für die Fertigung und Nachbearbeitung entwickelt. Außerdem steht die Qualifizierung eines bainitischen Werkstoffs für die additive Fertigung von Werkzeuggrundkörpern im Vordergrund, welche durch die im Vorhaben erarbeiteten Methoden auf die Qualifizierung weiterer Stähle übertragbar ist.

Die deutsche Stahlbranche und der deutsche Maschinen- und Anlagenbau besitzen eine besondere Bedeutung zur Sicherung einer leistungsfähigen und innovativen Industrielandschaft im Bundesland NRW. Zur Sicherung dieser Leistungsfähigkeit ist es zwingend notwendig neue Stahlwerkstoffe zu entwickeln aus denen innovative Bauteile mit angepassten Eigenschaften (bspw. Gewichtsreduktion) hergestellt werden können. Vor diesem Hintergrund bietet das additive Fertigungsverfahren Laser Powder Bed Fusion (LPBF) ein herausragendes Potential industrielle und funktionsverbesserte Produkte direkt aus digitalen Daten herzustellen und damit das Wertschöpfungsnetzwerk nachhaltig zu verändern. Allerdings sind nach derzeitigem Stand der Technik keine Stahlwerkstoffe für den LPBF-Prozess qualifiziert, die im Maschinen- und Anlagenbau benötigt werden bzw. die Verarbeitung von diesen Stahlwerkstoffen (Einsatz- und Vergütungsstähle) mittels LPBF führt zur Bildung von Rissen und Defekten, wodurch ein industrieller Einsatz nicht möglich ist.

Ausführliche Untersuchungen zur Anpassung der LPBF-Prozessführung und -Anlagentechnik greifen zu kurz, um diese Stahlwerkstoffe, deren Legierungszusammensetzungen auf die Verarbeitung mittels konventioneller Fertigungsrouten ausgelegt sind (Urformen, Zerspanen), mittels LPBF zu verarbeiten. Aus diesem Grund ist das Ziel des Forschungsvorhabens neue Stahlwerkstoffe durch eine iterative Legierungsentwicklung bzw. -Anpassung in Kombination mit einer systematischen Anpassung der LPBF-Prozessführung und Anlagentechnik für den Einsatz im Maschinen- und Anlagenbau verarbeitbar zu machen. Auf der Grundlage der entwickelten Stahlwerkstoffe, der LPBF-Prozessführung und -Anlagentechnik werden Demonstratoren hergestellt, die zwei Fertigungsszenarien im Maschinen- und Anlagenbau darstellen (Neuteil und Ersatzteil). Im Anschluss werden die Bauteile hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit erprobt und eine Wirtschaftlichkeitsanalyse durchgeführt. 

Ziel des Projekts ist die Vermeidung von Abfall, Aufwand und Kosten, die durch Stützstrukturen in lithographischen 3D-Druckverfahren verursacht werden. Für diesen Entwicklungsschritt werden Materialen entwickelt, die zusätzlich zur lichthärtenden Eigenschaft einen thermischen Phasenübergang aufweisen und in Kombination mit dem bereits entwickelten TwoCure® Verfahrendes Fraunhofer ILT ohne Stützstrukturen verarbeitet werden können.

Im Projekt E-TEST werden Schlüsseltechnologien für einen Gravitationswellendetektor der dritten Generation, auch bekannt als Einstein-Teleskop, entwickelt. Gravitationswellendetektoren ermöglichen einen alternativen Zugang zu interstellaren Prozessen wie z. B. der Kollision von Sternen und schwarzen Löchern, sowie Supernovae, die sich durch spezifische Signaturen in Form von Gravitationswellen detektieren lassen, und bilden somit eine wichtige Ergänzung zu anderen etablierten Beobachtungsmethoden – wie den optischen Teleskopen oder Radioteleskopen – bei der Erforschung des Universums. Die Untersuchungen im Projekt umfassen eine große Bandbreite, beginnend bei geologischen Untersuchungen bis hin zu hochpräzisen optischen Komponenten und der Untersuchung des Betriebs bei kryogenen Temperaturen.

Um all dies zu erreichen, hat sich ein Konsortium von Partnern aus Belgien, den Niederlanden und Deutschland geformt. Das Projekt wird geleitet und koordiniert von der Universität Lüttich. Die Aufgabe des Fraunhofer ILT im Rahmen des Projekts ist die Entwicklung eines hochstabilen Lasers mit einer Wellenlänge von etwa 2 µm und einer extrem schmalen Linienbreite von weniger als 10 kHz, welcher innerhalb eines Interferometers zur Detektion kleinster, durch Gravitationswellen induzierte Längenänderungen genutzt werden soll.

Der Trend zum Leichtbau und Erhöhung der Funktionalität führt auch in lichttechnischen Anwendungen zur Notwendigkeit verschiedene artungleiche Werkstoffe miteinander zu verbinden. Durch die Kombination von Druckgießbauteilen mit guter Wärmeleitfähigkeit und der hohen Oberflächenqualität von Spritzgießbauteilen lassen sich die Anforderungen der LED-Technik begegnen.

Das Ziel dieses Kooperationsprojekts ist die Entwicklung eines hybriden amorphen Thermoplast/Leichtmetall-Werkstoffverbunds. Als Fügetechnologie wird eine quasivollflächige mikroskalige Laserstrukturierung auf der Leichtmetallkomponente eingesetzt. Durch das Hinterspritzen der strukturierten Oberfläche wird der Verbund bei der Kunststoffformgebung hergestellt. Mit diesem hochfesten und temperaturwechselbeständigen Werkstoffverbund, welcher auch auf seine Mediendichtigkeit optimiert werden soll, lassen sich funktionelle, tragende Komponenten mit dekorativen, abdeckenden Komponenten durch ein einziges Bauteil realisieren, womit Bauraum und Gewicht sowie Logistik- und Montagekosten durch verkürzte Prozessketten signifikant reduziert werden können.

Durch die Entwicklung einer neuartigen laserbasierten Verbindungstechnik, bei der durch eine mikro- und nanoskalige Laserstrukturierung eine Oberflächenmodifikation von Glaskomponenten erzeugt wird, lassen sich durch nachfolgendes Laserdurchstrahlschweißen oder Hinterspritzen mittels thermoplastischen Kunststoffen hochfeste und temperaturwechselbeständige Kunststoff-Glas-Verbunde herstellen.  Durch die neue Füge- und Montagetechnik werden Prozessketten signifikant verkürzt, Zusatzwerkstoffe und Prozessschritte eliminiert und die Designmöglichkeiten für Funktionsbauteile erweitert.

Die Fertigung von Hochleistungsbauteilen gelingt zunehmend durch Kombination verschiedenster Werkstoffe in Form von Multimaterialien und Hybridwerkstoffe. Geeignete Fügetechnologien sind dabei oftmals der Schlüssel zum Erfolg, denn der Einsatz neuer innovativer Werkstoffe scheitert häufig an mangelnden Möglichkeiten zur Herstellung einer zuverlässigen Fügeverbindung besonders zwischen artfremden Werkstoffen. Hierzu zählen Keramiken (z.B. SiC) sowie Metalle und Leichtmetalle (z.B. Al, Cu, Ti). Mit speziellen Aktivloten bei Temperaturen ab 850°C gelingt es im Vakuum oder Schutzgas, Werkstoffe mit schwer benetzbaren Oberflächen mit einer metallischen Schicht zu versehen. Die Erwärmung der kompletten Bauteile führt jedoch oft zu hohen Spannungen und damit Rissbildung. In LaMeta wird das Ziel gesetzt, Lote aus Suspensionen mit Mikropartikeln zu entwickeln, die eine um bis zu 50% geringere Metallisierungstemperatur aufweisen als bisherige, und diese auf Bauteile lokal dort aufzutragen, wo eine Metallisierung nötig ist. Anschließend wird die Suspension mit Laserstrahlung selektiv erhitzt, sodass eine stoffschlüssige Verbindung mit dem Grundwerkstoff als dünne Metallisierungsschicht entsteht. In weiteren Schritten kann so konventionelles Fügen spannungsarm durchgeführt werden.

Im Verbundprojekt NADEA, gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF, haben Projektpartner aus Wissenschaft und Industrie NADEA^AM entwickelt, eine kobaltfreie hochentropische Legierung für das Laserauftragschweißen (auch Laser Material Deposition, LMD). Durch die Widmanstätten-Mikrostruktur ist es ein Duplex-Werkstoff, der sich besonders für den Einsatz in korrosiven Umgebungen eignet, wo hohe Festigkeit und Verschleißresistenz erforderlich sind.

Die Mikrostruktur besteht aus Austenit (fcc) und Ferrit (bcc), jedoch ist im Gegensatz zu Duplex-Stählen der größte Teil der bcc-Phase geordnet (bcc-B2). Das Verhältnis fcc:bcc kann durch Wärmebehandlung in einem Bereich von 55:45 bis 65:35 eingestellt werden.

Die rissfreie Verarbeitung von NADEA^AM zu einem endkonturnahen Bauteil mit einer Dichte > 99,5 % wurde im Verbundprojekt NADEA am Fraunhofer ILT erreicht. Untersuchungen des Projektpartners Access e.V. zeigen, dass nach Lösungsglühen und Auslagern ein superfeines fcc-bcc-Duplex-Gefüge mit einer Festigkeit Rp0,2 von 600 MPa erreicht wird. Die Zugfestigkeit Rm beträgt 1100 MPa bei einer Gesamtdehnung von 27 %. Ein vergleichbarer Duplexstahl erreicht Rm ≈ 900 MPa im Zugversuch mit Rp0,2 ≈ 640 MPa und A ≈ 20 %.

Links:

• NADEA Präsentation
• Wissenschaftliches Paper