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22.06.2020

Leichtbau mit dem Laser

Gießen/Friedberg - Wie lässt sich das Metall-Laserstrahlschmelzen nutzen, um im Automobilbau tragende Leichtbaustrukturen herzustellen? Mit diesem Thema befasst sich ein Forschungsvorhaben der Technischen Hochschule Mittelhessen. Es wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung mit knapp 600.000 Euro gefördert. Projektleiter ist Prof. Dr. Udo Jung vom Kompetenzzentrum für Automotive, Mobilität und Materialforschung. Die Friedberger Forscher arbeiten dabei mit der Firma Continental Engineering Services aus Frankfurt zusammen.
Prof. Udo Jung (links) und Doktorand Andreas Kern bereiten eine Umlaufbiegeprüfmaschine für den Test einer Werkstoffprobe vor.
Prof. Udo Jung (links) und Doktorand Andreas Kern bereiten eine Umlaufbiegeprüfmaschine für den Test einer Werkstoffprobe vor. © TH Mittelhessen/Armin Eikenberg
Metall-Laserstrahlschmelzen ist eine industrielle 3D-Druck-Technik, mit der ein Produkt schichtweise aufgebaut wird. Ein von einem CAD-Datensatz gesteuerter Laserstrahl verschmilzt bei Temperaturen von mehreren hundert Grad sehr dünne Pulverschichten. Die Bearbeitung erfolgt Schicht für Schicht in vertikaler Richtung.

Diese additive Fertigung hat gegenüber konventionellen Verfahren verschiedene Vorteile. Beschränkungen herkömmlicher Produktion, die zum Beispiel bei Gussteilen Hohlräume oder Hinterschneidungen vermeiden muss, gibt es nicht. Jedes Bauteil lässt sich ohne Werkzeugwechsel anders herstellen als das vorherige. Dadurch wird zum Beispiel eine Kleinserien- oder Einzelteilfertigung attraktiver. Ersatzteile können bei Bedarf dezentral produziert werden und machen eine teure Lagerhaltung überflüssig.

Für die Automobilindustrie kann die Technologie, die bisher vor allem in der Luftfahrtindustrie und der Medizintechnik eingesetzt wird, „durch Gewichtseinsparung einen maßgeblichen Beitrag zu einer emissionsarmen und ressourcenschonenden Mobilität leisten,“ so Jung. Werkstoff- und Bauteileigenschaften wie ausreichende Festigkeit, Steifigkeit und Zähigkeit sind dabei unverzichtbar. Maßgeblich ist dafür die Materialbeschaffenheit in den Randschichten des Bauteils. Dort darf es nicht zu Gaseinschlüssen oder Fehlern wie nicht aufgeschmolzenem Pulver kommen.

„Ziel unseres Projektes ist, mittels geeigneter Belichtungsstrategien Fahrzeugkomponenten zu entwickeln und zu fertigen, die im Randbereich die erforderliche hohe Qualität aufweisen. Im Umkehrschluss lassen sich dann beim Laserstrahlschmelzen der Kernbereiche, die eine geringere Qualität aufweisen dürfen, die Bauzeiten reduzieren und die Fertigungskosten senken, ohne dass dabei die Qualität leidet,“ erläutert der Leiter des Labors für Leichtbau und Betriebsfestigkeit. „Das gezielte Einbringen von solchen gradierten Werkstoffeigenschaften durch die Modifizierung des Fertigungsverfahrens über die Belichtungs- und Aufbaustrategie von Metallen ist bisher nicht erforscht. Wir sehen die Chance, auf diese Weise den Prozess des Metall-Laserstrahlschmelzens zu verbessern und für eine neue Fahrzeugtechnologie zu nutzen,“ so der Maschinenbauingenieur. Als Bauteile, für die das Verfahren in Frage kommt, nennt er beispielhaft Komponenten der Radaufhängung wie Radträger und Dämpfer oder im Betrieb hochbelastete Motorhalter.

Das Vorhaben hat eine Laufzeit von vier Jahren und wird im Rahmen des Programms „Forschung an Fachhochschulen“ finanziert, zu dessen Zielen die Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses gehört. In dem Friedberger Projekt ist deshalb auch eine Promotion vorgesehen. Kooperationspartner ist dabei Prof. Dr. Michael Vormwald vom Fachgebiet Werkstoffmechanik der TU Darmstadt.
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