Aluminiumlegierung: Für den 3D-Druck entwickelt und crashsicher

• Die additive Fertigung hat enormes Potenzial, die Produktion umzugestalten und gleichzeitig den Leichtbau voranzutreiben.
• Derzeit erfüllen die zur Verfügung stehenden Aluminiumlegierungen noch nicht die hohen Anforderungen für eine Serienproduktion in der Automobilindustrie.
• Im Rahmen eines Forschungsprojekts wird eine Aluminiumlegierung mit höheren Festigkeiten und höheren Bruchdehnungen für den Einsatz in Fahrzeugen entwickelt.
• Der neue Ansatz soll dafür additive Fertigungsprozesse nutzbar machen.

Die EDAG Group hat im Rahmen des vom BMBF geförderten Forschungsprojekts CustoMat_3D gemeinsam mit acht Projektpartnern eine Aluminiumlegierung für den Einsatz im Fahrzeug entwickelt, die in der Lage ist, sowohl höhere Festigkeiten als auch höhere Bruchdehnungen bereitzustellen. Letzteres ist insbesondere für den Fall eines Crashs von großer Bedeutung.

Gesamte Prozesskette im Blick

In den vergangenen drei Jahren wurde die gesamte Prozesskette von der Pulverherstellung über die Simulation bis zur Bauteilentwicklung betrachtet. Die Legierungsdefinition und die Herstellung von Pulvern erfolgte durch das Leibnizinstitut für Werkstofforientierte Technologien (IWU) und Kymera International. Die Verarbeitung und Prozessentwicklung im pulverbettbasierten Laserstrahlschmelzen (LBM) fanden am Fraunhofer IAPT, bei GE Additive sowie bei der FKM Sintertechnik GmbH statt. Eine entsprechende Simulation der schnellen Abkühlung der Schmelze im Prozess wurde vom Fraunhofer ITWM sowie der MAGMA Gießereitechnologie GmbH erforscht. Die Demonstration der Leistungsfähigkeit erfolgten bei der Mercedes-Benz AG und der EDAG Engineering GmbH mit Unterstützung von Altair Engineering.

Dieser ganzheitliche Ansatz soll die additive Fertigung für Serienprozesse zugänglich machen. Die neu erforschte Legierung kann verwendet werden, um stark gewichtsreduzierte Komponenten im Fahrzeug zu etablieren.

Legierung ist besonders vielseitig

In einer Laborphase wurden zunächst unterschiedliche Legierungen experimentell untersucht. Die erfolgversprechendste Aluminiumlegierung konnte erfolgreich auf unterschiedlichen Laserstrahlschmelzanlagen erprobt werden. Das Besondere an der Legierung ist ihre Vielseitigkeit: Aus einer einzigen Legierung kann ein sehr breites Eigenschaftsspektrum erzeugt werden. Diese Eigenschaften können dabei anhand einer nachgelagerten Wärmebehandlung flexibel eingestellt werden. Aus den ermittelten Werkstoffkennwerten wurden Materialkarten erzeugt, die in einer Strukturoptimierung mit der Software Altair OptiStruct verwendet wurden, um das Gewicht von Bauteilen bei gleicher Leistungsfähigkeit zu senken. Besonders ist hierbei, dass auch die Anforderungen aus dem additiven Fertigungsprozess wie die Bauteilausrichtung berücksichtigt werden können.

Ausgewählt wurden Bauteile aus verschiedenen Bereichen des Fahrzeugs. Sowohl bei dem dynamisch hochbelasteten Radträger als auch bei einem komplexen Bauteil mit hohen Steifigkeitsanforderungen aus dem Bereich des Radkastens konnten eine effektive Gewichtseinsparung realisiert werden. Diese lag mit teils über 30 Prozent oberhalb des erwarteten Potenzials. Aufgrund des additiven Fertigungsprozesses kann hier das Bauteil über ein Laststufenmodell gezielt auf die Anforderungen des jeweiligen Fahrzeugs angepasst werden.

Weiterhin wurden auch Hybridprozesse wie Laserauftragsschweißen sowie Fügeverfahren mit dem neu entwickelten Werkstoff untersucht. In der Simulation war es möglich, die Vorgänge auf der mikroskopischen Ebene des Pulvers über repräsentative Elemente in die makroskopische Simulation des Bauteils überzuführen. So wird eine stark verkürzte Rechenzeit möglich. Als Ergebnis können Eigenspannungen und Verzüge schon vor der Fertigung sichtbar gemacht und verringert werden.

Neu entwickelte Aluminiumlegierung in wenigen Monaten verfügbar

Die neu entwickelte Legierung wird unter dem Markennamen CustAlloy in wenigen Monaten konventionell verfügbar sein. Die Projektpartner ziehen schon jetzt ein durchweg positives Fazit. Aufgrund der breiten Anwendbarkeit sowie der bereits erfolgten Absicherung von Korrosion, Fügetechnik und vieler weiterer Anforderungen der Automobilindustrie ist die Legierung prädestiniert für erste Serieneinsätze.

Alle Projektziele konnten erreicht werden, und mit der neuen Legierung, dem zugehörigen Verarbeitungsprozess sowie den erprobten Simulationsmethoden stehen den Experten wirkungsvolle Werkzeuge zur Verringerung des Fahrzeuggewichts und dem Einsatz der 3D-Druck-Technologie in der Serienproduktion zur Verfügung.

Weitere Informationen: www.edag.com

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