Entwicklung der Prozesstechnologie für massive metallische Gläser auf Platinbasis mit dem Ziel einer Industrialisierung am Beispiel des Uhren- und Schmucksektors

Platinbasierte massive metallische Gläser (Pt-MMG) sind revolutionäre Schmucklegierungen mit besonderen Eigenschaften. Ihre hervorragende Oberflächengüte und hohe Gusshärte (400–500 HV1) begünstigt die präzise, formgetreue Abbildung und macht die Nachbearbeitung überflüssig. Pt-MMG sind hart wie Stähle, besitzen aber eine kunststoffähnliche Elastizität und Flexibilität. In einem Forschungsprojekt konnten diese Platingläser erstmals mit dem in der Schmucktechnologie etablierten Feingießverfahren verarbeitet werden. Dank ihrer einzigartigen Qualitäten eröffnen sich der Luxusgüterindustrie damit völlig neue Designmöglichkeiten.

Dem fem und seinem Forschungspartner LMW ist es gelungen, gemeinsam mit Partnern aus der Industrie das industrielle Potenzial von Pt-MMG am Beispiel von Uhren- und Schmuckanwendungen zu demonstrieren und den Technologiereifegrad anzuheben. Mit den amorphen Platinlegierungen konnten feine Geometrien mit komplexen Füllwegen realisiert werden. Die Schmuckobjekte sind trotz ihrer filigranen Struktur mechanisch stabil und weisen eine außerordentlich hohe elastische Verformbarkeit auf. Im Druckgusserfahren konnten zudem auch massivere Bauteile wie Uhrenlünetten hergestellt werden. KMU bietet diese neue Technologie die Chance, in den Platinschmuckmarkt einzusteigen und ihre Wettbewerbsfähigkeit zu erhöhen.

Haben wir Ihr Interesse geweckt? Unsere Expertin Lisa-Yvonn Schmitt freut sich auf Ihre Kontaktaufnahme!

Danksagung: Das IGF-Vorhaben 21469 N der Forschungsvereinigung Verein für das Forschungsinstitut für Edelmetalle und Metallchemie (fem) wurde über die AIF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Qualifizierung von standardisierten Langzeitversuchen an Kupferwerkstoffen zur wirtschaftlichen Bestimmung von Materialparametern für CAE-Anwendungen

Die in der Praxis eingesetzten Langzeitversuche zu Charakterisierung des Materialverhaltens von Kupferwerkstoffen sind nur begrenzt geeignet, um daraus belastbare Eingangsdaten für CAE-Anwendungen (bspw. Finite Elemente Methode, FEM) zu ermitteln. Aufgrund steigender Anforderungen an Bauteile aus Kupferwerkstoffen, z.B. bei elektrischen Steckverbindern, ist für die sichere und ressourceneffiziente Bauteilauslegung eine genauere Kenntnis dieser Eingangsdaten jedoch unerlässlich. Das Ziel dieses Vorhabens bestand darin, eine Methode zur wirtschaftlichen Bestimmung von Materialparametern für Kupferwerkstoffe aus den Langzeitversuchen in Anlehnung an die ASTM [AST13] zu entwickeln. Die daraus ermittelten Parameter können den Kupferwerkstoff genauer beschreiben und sind als direkter Input für die simulative Bauteilauslegung nutzbar.

Im Vorhaben wurde davon ausgegangen, dass ein eindeutiger Zusammenhang zwischen den Messgrößen der ASTM-Versuche (z.B. Cantilever-Versuch) und den zeit- und temperaturabhängigen Eigenschaften von Kupferwerkstoffen existiert. Dieser ist jedoch aus diesen Versuchen nicht direkt bestimmbar. Mittels numerischer Methoden und basierend auf maschinellen Lernverfahren sollte dieser Zusammenhang ermittelt werden. Zur Ermittlung der hierfür erforderlichen experimentellen Daten wurde ein geeigneter Versuchsstand entwickelt. Damit wurde es möglich, aus den Messgrößen eines ASTM-Versuchs das zeit- und temperaturabhängige Materialverhalten bzw. die Materialparameter für ein gewähltes Werkstoffmodell direkt und kostengünstig zu bestimmen.

Der Nutzen des Vorhabens besteht darin, dass aus bereits etablierten Standardversuchen deutlich genauere Informationen über das Langzeitverhalten von Kupferwerkstoffen ermittelt werden können, ohne dass der experimentelle Aufwand dafür steigt. Von KMUs können die Ergebnisse als direkter Input für CAE-Anwendungen genutzt werden. Zudem können KMUs durch die genauere Beschreibung des Werkstoffverhaltens Bauteile besser, kosteneffizienter und ressourcenschonender auslegen, als es bisher möglich war. Die Ergebnisse des Vorhabens können auf andere Werkstoffe übertragen werden, bei denen das Langzeitverhalten ebenfalls relevant ist.

Haben wir Ihr Interesse geweckt? Unsere Expertin Karin Pfeffer freut sich auf Ihre Kontaktaufnahme!

Danksagung

Das IGF-Vorhaben 21114 N der Forschungsvereinigung Verein für das Forschungsinstitut für Edelmetalle und Metallchemie (fem) wurde über die AIF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Innovativer Kompositwerkstoff für den Feinguss von Titanlegierungen

Die Herstellung komplexer technischer Bauteile aus Titanlegierungen im Feingussverfahren ist für Luftfahrttechnik, Raumfahrttechnik, Medizintechnik und die Luxusgüterbranche von großem Interesse. Der Keramikwerkstoff Calciumzirkonat (CaZrO₃) ermöglicht den äußerst anspruchsvollen Feinguss von Titan, weist jedoch Schwächen bei Temperaturwechselbelastungen auf. Tiegel aus CaZrO₃ zeigen aufgrund des Thermoschocks bereits nach einem Abguss Risse und sind danach nur begrenzt wiederverwendbar.

Dem fem ist es gelungen, durch die Zugabe von elektrogesponnenen CaZrO₃-Nanofasern einen innovativen Kompositwerkstoff zu erzeugen, der dieses Problem löst. Im Forschungsprojekt wurde nachgewiesen, dass der Werkstoff dank der modifizierten Mikrostruktur eine deutlich höhere Stabilität gegen thermische Belastungen und folglich eine hohe Restfestigkeit nach dem Abguss besitzt. Dadurch sind CaZrO₃-basierte Komposit-Tiegel endlich für den mehrmaligen Einsatz im Feinguss geeignet. Diese Entwicklung ermöglicht es Feingießereien, hochreaktive Legierungen in hoher Qualität deutlich effizienter und wirtschaftlicher zu verarbeiten.

Haben wir Ihr Interesse geweckt? Unser Experte Florian Bulling freut sich auf Ihre Kontaktaufnahme!

Danksagung: Das IGF-Vorhaben 21706 BG der Forschungsvereinigung Verein für das Forschungsinstitut für Edelmetalle und Metallchemie (fem) wurde über die AIF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Entwicklung neuer Aktivlotlegierungen durch Ultraschall-Plasmaverdüsung für das Fügen von Keramik-Keramik- und Metall-Keramik-Verbunden

Hintergrund

Verfügbare Aktivlotpasten basieren nahezu ausschließlich auf Silber- und Silber-Kupfer-Legierungen, wodurch die Temperaturstabilität der Verbunde begrenzt ist. Höhere Temperaturstabilitäten können mit auf Edelmetallen (Pd, Pt) basierenden Aktivloten erzielt werden; diese sind aber deutlich teurer. Es besteht daher ein Bedarf an neuartigen Aktivlotlegierungen, die stabile Verbunde für Anwendungstemperaturen von 1000 °C bis ca. 1200 °C ermöglichen. Neben dem Hauptinteresse der Realisierbarkeit entsprechender Verbunde ist auch die reine Metallisierung funktioneller keramischer Oberflächen für eine elektrische Kontaktierung von Interesse.

Aktivlotpasten werden meist in geringen Mengen, jedoch in großer Vielfalt, spezialisiert und optimiert für definierte Anwendungsfälle, benötigt. Mit der Ultraschall-Plasmaverdüsung ist es möglich, kleine Chargengrößen sowie Legierungssysteme, die schmelzmetallurgisch schlecht oder gar nicht mischbar sind, zu realisieren. Hierzu sollen neue, in Grundlagen bereits bekannte Aktivlotsysteme, evaluiert, optimiert und angepasst werden. Zusätzlich zur Pulverherstellung ist die Abstimmung der Pasten auf den Aktivloteinsatz ein sehr wichtiger Aspekt. Für eine industrielle, automatisierte Applikation der Lotpasten mittels Siebdruck und Dispenstechnologie sind rheologische Eigenschaften und Feststoffgehalte anzupassen. Zudem muss eine zuverlässige Entbinderung im Vakuum möglich sein. Die Untersuchungen werden mittels statistischer Versuchsplanung (DOE) und multivariater Datenanalyse (MVDA) unterstützt, um eine hohe Effizienz in Bezug auf die zu untersuchende Vielfalt sowie eine höhere Aussagekraft der Ergebnisse zu gewährleisten.

Projektziel

Ziel des Forschungsprojekts ist die Entwicklung temperaturstabiler und nicht auf Edelmetallen basierender Aktivlotlegierungen, die Pulverherstellung mittels Ultraschall-Plasmaverdüsung sowie die Optimierung von Aktivlotpasten. Die Aktivlottechnologie ermöglicht die Realisierung von Metall-Keramik-Verbunden in nur wenigen Prozessschritten, da eine direkte Benetzung keramischer Oberflächen möglich ist. Die Applikation dieser Lote als Pulver bzw. Pasten bringt im Vergleich zu Formteilen (Draht, Folie) Vorteile in der automatisierten Anwendbarkeit (Siebdruck, Dispensen) mit sich und minimiert Materialverluste.

Danksagung

Das IGF-Vorhaben 22117 BG der Forschungsvereinigung Verein für das Forschungsinstitut für Edelmetalle und Metallchemie (fem) wird über die AIF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Material Digital

Motivation, Problemstellung, wissenschaftliche und technische Projektziele

Im Rahmen des Vorhabens MaterialDigital wurde erstmalig demonstriert, dass Werkstoffe im Sinne von Industrie 4.0 in digitale Wertschöpfungsketten integriert werden können. Hierzu wurden für die zwei Anwendungsfälle Metalle und Polymere während des Herstellungsprozesses aus einem Materialdatenraum heraus digitale Repräsentationen der verarbeiteten Materialien erzeugt (sog. Materialzwillinge), wodurch eine Durchgängigkeit der Materialzustandsinformationen entlang der betrachteten Prozessketten erreicht wurde. Dies hat den Vorteil, dass die Prozesse anschließend hinsichtlich der gewünschten lokalen, physikalischen oder mechanischen Eigenschaften der Werkstoffe optimiert werden können.

Ergebnisse des Projekts

Die Integration von Werkstoffen in Wertschöpfungsketten im Sinne von Industrie 4.0 wurde anhand zweier Anwendungsfälle gezeigt. Hierbei wurde das Ziel verfolgt, mittels digitaler Zwillinge für eine Durchgängigkeit von örtlich und zeitlich variierenden Materialeigenschaften entlang der Wertschöpfungskette bzw. des Produktlebenszyklus zu sorgen.

Im Anwendungsfall Metalle (an dem das fem beteiligt war) wurde der Aluminium-Kokillengussprozess mit anschließender zweistufiger Wärmebehandlung (Lösungsglühung und Warmauslagerung) betrachtet. Als Beispiellegierung diente die Gusslegierung AlSi10Mg. In zwei Gusskampagnen wurden am fem zunächst Probestäbe gegossen, um mittels mechanischer und analytischer Werkstoffcharakterisierung eine projektspezifische Datenbasis für die Befüllung des Materialdatenraums aufzubauen. In der zweiten Gusskampagne wurde ein Demonstratorgussbauteil am fem abgegossen, das auf einem Laborteststand beim IWM einer statischen Biegebeanspruchung unterzogen wurde. In beiden Gusskampagnen wurde die chemische Zusammensetzung der AlSi10Mg-Legierung im Rahmen der Spezifikation in Bezug auf den Silizium- und Magnesiumanteil variiert. Die Gusskampagnen wurden am fem mit Gießsimulationen begleitet, deren eingehende Modellparameter anhand eines Abgleichs mit Temperaturmessungen in der Probestabkokille feinjustiert wurden. Verschiedene Angusssysteme für die Kokille des Demonstratorgussbauteils wurden in Betracht gezogen und mithilfe der Formfüllungssimulation am fem getestet. Da eine direkte Formfüllung von oben aufgrund der entstehenden Turbulenzen sehr ungleichmäßig und ungünstig war, wurde ein steigender Guss bevorzugt. Davon wurden zwei Varianten entworfen: eine mit Anbindung des Angusskanals am unterem Bereich des Bauteils und eine mit Einsatz eines sogenannten Messerschnitts . Letzteres wurde ausgewählt, mit einer zusätzlichen Aufweitung des Messerschnittangusses, um die Turbulenzen bei der Formfüllung zu reduzieren. Die Abgüsse würden auch in diesem Fall mit Temperaturmessungen durchgeführt.

Es wurden zwei Ziele verfolgt: Zum einen wurden alle Daten aus der Charakterisierungskampagne der Probestäbe mit Hilfe des entwickelten digitalen Workflows strukturiert, die Datensätze einzelner Prozessschritte miteinander verknüpft und der finale zusammenhängende Wissensgraph der Prozesskette in eine Graphdatenbank überführt. Mit Hilfe der am IWM entwickelten Domänenontologie für die betrachtete Prozesskette konnte gezeigt werden, dass sich Expertenwissen zum Einfluss der chemischen Zusammensetzung und der Wärmebehandlungsparameter auf unterschiedliche mechanische Eigenschaften aus dem Materialdatenraum extrahieren lässt. Neben der Abfrage von reinen Metadaten wurde anhand von Zugversuchen auch demonstriert, dass maschinell auf die heterogenen Rohdatensätze zugegriffen werden kann. Die Materialdatenraumtechnologie stellt somit nachweislich eine zukunftsorientierte Form der digitalen Wissensrepräsentation von werkstoff- und prozessspezifischem Expertenwissen dar und bildet die Grundlage für weiterführende datenbasierte Analysen. Anhand des konkreten Beispiels können u.a. Entscheidungen zur Wahl der Wärmebehandlungsparameter in Abhängigkeit der chemischen Zusammensetzung zur Erreichung einer spezifischen Werkstofffestigkeit getroffen werden.

Zum anderen wurde anhand des Demonstratorbauteils gezeigt, dass durch die Einbindung eines digitalen Zwillings in Simulations- und Bewertungsketten präzisere Aussagen zur Funktionalität des Bauteils möglich sind. Der Zwilling bildet die Geometrie, die innere Materialstruktur, örtlich variierende Materialeigenschaften und Kennwerte aus der Prozesshistorie ab und sorgt für die Durchgängigkeit entlang der betrachteten Prozesskette. Für die notwendige Fusion der Werkstoffdaten wurde am IWM eine graphische Benutzeroberfläche entwickelt, mit der örtlich verteilte Material- und Prozesskennwerte in einem Bauteil visualisiert und korreliert werden können.

Danksagung

Wir danken dem Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Wohnungsbau Baden-Württemberg, das im Rahmen der Förderung von wirtschaftsnahen Forschungsvorhaben mit Bezug zur Umsetzung der Digitalisierungsstrategie im Themenfeld Digitalisierung: Chance für Nachhaltigkeit und Energiewende das vorliegende Projekt finanziell unterstützt.

Additive Fertigung von Zinklegierungen mittels Laserschmelzen

Die aktuell am weitesten verbreitete Methode der additiven Fertigung (Additive Manufacturing, AM) von Metallen besteht in der schichtweisen Belichtung von Metallpulver mit einem Laser. Dabei werden die Pulverpartikel aufgeschmolzen, die Schmelze fließt zusammen und erstarrt zu einer kompakten Struktur. Daher wird dieser Prozess als Laser Powder Bed Fusion (LPBF) oder Laser Beam Melting (LBM) bezeichnet. Verschiedene Maschinenhersteller haben noch weitere Bezeichnungen geprägt, wobei Selective Laser Melting (selektives Laserschmelzen, SLM®) die gebräuchlichste Bezeichnung in der Fachliteratur ist und daher auch hier durchgängig verwendet wird.

Projektziele

Erstes Teilziel des beantragten Forschungsprojektes ist es, in einem branchenübergreifenden Ansatz die Möglichkeiten der Verarbeitung von Zinklegierungen mit SLM für Prototypen und Kleinserien auszuloten. Dabei werden die mechanischen Eigenschaften, die Dichte und das Korrosionsverhalten von SLM-Prüfkörpern mit entsprechenden Druckguss-Prüfkörpern verglichen.

Ein besonders reizvoller und zukunftsweisender Aspekt ist die Verwendung von Zink für SLM-gefertigte Implantate. Zink gilt als gut bioresorbierbar, d.h. es zeigt in vivo eine moderate Korrosionsrate und nur eine geringe Zytotoxizität. Mit SLM wäre es möglich, individuelle Implantate mit spezifischen Eigenschaften zu fertigen. Im Rahmen eines früheren Projektes wurden bereits geeignete bioresorbierbare Zn-Ag-Au-Legierungen entwickelt und in Kooperation mit der Sektion Medizinische Werkstoffe und Technologie (MWT) am Uniklinikum Tübingen untersucht.

Danksagung

Das IGF-Vorhaben 21472 N der Forschungsvereinigung Edelmetalle + Metallchemie wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Innovative Schweißlösungen für additiv gefertigte Leichtbaukomponenten aus Aluminium (WeldAlAM)

HINTERGRUND

Einer der Hauptkostentreiber bei heutigen Leichtbauanwendungen für Automobil- oder Luftfahrtkomponenten sind die Kosten für Rohmaterial, unabhängig von den Herstellungswegen. Komplexe Komponentendesigns und großformatige Teile erfordern lange Vorlaufzeiten und eine große Produktionsinfrastruktur. Bei der additiven Fertigung (AM) von großen Aluminiumteilen wird es immer schwieriger, eine homogene Materialqualität zu erschwinglichen Kosten zu gewährleisten. Sie können derzeit nicht mit der hohen und wiederholbaren Materialqualität und der niedrigen Kostenstruktur von Halbzeugen wie Strangpressprofilen und Blechen konkurrieren.

ANSATZ UND ZIELE

Die AM-Technologie zur Herstellung kleinerer Teile und deren Kombination mit Halbfertigprodukten bietet ein großes Potenzial zur Überwindung der oben genannten Anforderungen und hohen Kosten für große Teile. Sie eröffnet die Möglichkeit, Schnittstellen zu definieren, um diese Teile mit Halbzeugen durch industriell gut etablierte Fügetechniken wie das Wolfram-Lichtbogenschweißen (WIG) oder das Laserstrahlschweißen (LBW) zu verbinden.

Der Schwerpunkt des WeldAlAM-Projekts liegt auf der Bewertung der Schweißbarkeit von hochfesten Aluminium-AM-Teilen und der Validierung verschiedener Schweißtechnologien. Der Ansatz wird auf einer laborbasierten Ebene erfolgen, um die Verfahrensgrundsätze zu erforschen, gefolgt von einer Prototypenphase für zwei relevante Komponenten, die zusammen mit dem UC ausgewählt werden.

Das EB-Schweißen stellt eine Referenz für das Strahlschweißen dar, und das GTAW-Schweißen ist als Grundlage für herkömmliche Lichtbogenschweißverfahren gedacht. LBW und Rührreibschweißen werden entwickelt, um Probleme mit Porosität und Schweißbarkeit zu überwinden. Die Untersuchung wird durch zerstörungsfreie Prüfungen sowie die metallographische Charakterisierung der AM-Teile und Schweißnähte abgedeckt. Zusätzlich sind Oberflächenbehandlungen und Korrosionstests geplant, um die Teile für zukünftige Leichtbauanwendungen zu qualifizieren. Die KMU werden von der Aufstellung von Regeln für gute Praktiken” für verschiedene Industriezweige profitieren, außerdem profitieren die KMU von der Forschung zu oberflächenbehandelten Aluminiumteilen.

FÖRDERUNG

Innovative Schweißlösungen für additiv gefertigte Leichtbauteile aus Aluminium (WeldAlAM) ist ein Cornet-Projekt, das von nationalen Agenturen, die dem Cornet-Netzwerk angehören, finanziert wird.

KONTAKT

Fraunhofer IWS / Dirk Dittrich / +49 351 83391-3228 / dirk.dittrich(at)iws.fraunhofer.de

fem Forschungsinstitut / Dario Tiberto / +49 7171 1006-714 / tiberto(at)fem-online.de

sirris / Olivier Rigo / +32 498 91 94 71 / olivier.rigo(at)sirris.be

CRM Group / Petra Svarova / petra.svarova(at)crmgroup.be