Simulation des Schmelzbads bei der additiven Fertigung von Metallteilen
Im Rahmen des Forschungsprojektes wurden bedeutende Fortschritte in der pulverbettbasierten additiven Fertigung mittels Laser erzielt. Die Integration dieser Technologie in industrielle Produktionsprozesse ist ein Zeugnis ihrer fortschreitenden Reife. Parallel dazu konzentriert sich die Forschung auf die wissenschaftliche Durchdringung des Verfahrens. Das Projekt fokussierte sich speziell auf die Simulation des Schmelzbades und dessen experimentelle Validierung. Untersuchungsgegenstände waren dabei die verbreiteten Materialien Stahl (316L), Aluminium (AlSi10Mg) und Titan (TiAl6V4).
Die Simulationsmodelle basierten auf thermophysikalischen Materialparametern und wurden individuell angepasst. Das vom Fraunhofer IWM entwickelte Ausgangsmodell wurde hierfür weiterentwickelt und optimiert. Simulationsergebnisse wurden durch experimentelle Untersuchungen validiert und mit den Vorhersagen der kommerziellen Simulationssoftware Flow3D verglichen.
Das Projektziel bestand darin, ein detailliertes Prozessverständnis zu entwickeln, um die limitierten Beobachtungsmöglichkeiten der hohen Verfahrensgeschwindigkeiten zu kompensieren. Langfristig soll dieses Wissen dazu beitragen, den Einfluss spezifischer Materialparameter auf das Fertigungsergebnis zu ermitteln und so die Entwicklung maßgeschneiderter Materialien zu erleichtern.
Danksagung
Das IGF-Vorhaben 21470 N der Forschungsvereinigung Edelmetalle + Metallchemie wurde 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.
Entwicklung warenträgerspezifischer Simulationsmodelle für die Optimierung und Steuerung galvanischer Abscheidungsprozesse
Galvanisierung ist auch heute noch in hohem Maße Handarbeit, besonders in der Edelmetall-Gestellgalvanisierung. Die Vielzahl der Einflussvariablen auf den Galvanisierprozess macht diesen nur schwer berechen- und automatisierbar. Optimierungen geschehen meist auf der Ebene der Geometrie, indem z.B. Blenden und andere Vorrichtungen zur Flusssteuerung angebracht werden.
Zwar gibt es IT-Lösungen, aber diese konzentrieren sich primär auf die Abbildung des vorhandenen Arbeitsprozesses, nicht auf die Optimierung der Galvanisierung. Es fehlen bislang Ansätze zur automatisierten Erkennung teile- und gestellspezifischer Randbedingungen.
Das Galvanik-Unternehmen Jentner und das fem beschreiten in diesem Projekt einen völlig neuen Weg: Mittels kameragestützter Simulationsmodelle soll es möglich sein, signifikant bessere Ergebnisse bei der Galvanisierung zu erzielen, den Ausschuss zu senken und dabei substantiell Material und Energie einzusparen. Die erhöhte Genauigkeit des Galvanisierprozesses eröffnet überdies Märkte, die mit dem bisherigen Ansatz nicht zugänglich waren. Die Lösung wird in ein BDE-System implementiert. Die mittels Simulationsprogramm COMSOL® ermittelte Schichtdickenverteilung auf einem mit Teilen bestückten Galvanisiergestell zeigt die Abbildung.
Danksagung
Das ZIM-Vorhaben KK5119101PR0 der Forschungsvereinigung Verein für das Forschungsinstitut für Edelmetalle und Metallchemie wird über die AiF im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
Werkzeuglose Fertigung von funktionalisierten 3D-Kunststoffbauteilen durch die Kombination von generativen Verfahren und laserbasierter selektiver Metallisierung
Motivation
Die Fertigung verschiedenster Komponenten mittels additiver Verfahren erlangt im Zuge der zunehmenden Individualisierung von Produkten immer größere Bedeutung. Im Gegensatz zu konventionellen Herstellungsprozessen ist die additive Fertigung als werkzeugloses Verfahren auch bei kleinen Stückzahlen bis hin zur Losgröße 1 wirtschaftlich; der Initialaufwand ist sehr gering und die Designflexibilität hoch. Für kunststoffbasierte mikrosystemtechnische Baugruppen besteht die Notwendigkeit zur Integration von Leiterstrukturen auf der 3D-Bauteiloberfläche. Mit dem laserbasierten ProtoPaint LDS-Verfahren können Leiterstrukturen zwar auf 3D-Bauteilen erzeugt werden, aber das manuelle aufbringen des Lacks, die geringe Topfzeit und der Verbleib des Lacks auf den Bauteilen nach der Metallisierung machen die Technik hauptsächlich nur für das Prototyping interessant. Im vorliegenden Projekt sollte ein Verfahren zur selektiven Metallisierung von additiv gefertigten 3D-Kunststoffbauteilen erarbeitet werden, das die Fertigung über das Prototyping hinaus erlaubt.
Vorgehen
Über Digital Light Processing (DLP), eine Variante der Stereolithografie, werden zunächst 2D-, später 3D-Bauteile erzeugt. Die Metallisierung erfolgt stromlos mit einem Kupferelektrolyten durch vorangegangene Aktivierung mit Pd-Keimen. Die selektive Anlagerung der Pd-Keime an die Bauteile soll durch Laserstrukturierung erfolgen. Dazu wurden 3 unterschiedliche Ansätze verfolgt:
Ansatz A: Entwicklung von funktionalen Pd-Keimen. Die funktionalen Keime sollen sich selektiv an die aufgerauten und oxidierten laserstrukturierten Bereiche des Substrats anlagern.
Ansatz B: Entwicklung eines bindemittelhaltigen Precursor-basierten Pd-Aktivatorsystems. Aufbringen des Aktivatorsystems auf die Substrate. Durch den Energieeintrag des Lasers sollen aus dem Precursor Pd-Keime erzeugt werden. Entfernung des restlichen Aktivatorsystems durch Strippen.
Ansatz C: Aufbringen eines kommerziellen positiven Fotolacks auf die Substrate. Bei der Laserstrukturierung wird der Lack zerstört, die darunterliegenden Bereiche werden selektiv mit Pd/Sn-Keimen aktiviert. Entfernung des restlichen Lacks durch Strippen. Als Material für die DLP-gefertigten 3D-Bauteile wurde PlastCure Rigid 10500 verwendet, ein Acryl- und Epoxid-basiertes Photopolymer, gefüllt mit Silicapartikeln. Die Laserstrukturierung wurde mit einem Pikosekunden-Laser (532 nm) durchgeführt.
Fazit
Es wurden erfolgreich selektiv Leiterbahnstrukturen auf additiv gefertigten 2D- und 3D-Bauteilen erzeugt. Die Konzepte A und B zeigten im Ansatz brauchbare Ergebnisse, sind aber zu sehr von den Oberflächeneigenschaften des gelaserten Substrats bzw. dem Lasereintrag abhängig. Ansatz C hingegen kann mit kommerziell verfügbaren Materialien leicht umgesetzt werden. Eine Integration des Verfahrens in bestehende Produktionsprozesse ist problemlos möglich. Zudem ist das Konzept substratunabhängig und kann daher auch auf anderen Materialien angewandt werden.
Danksagung
Das IGF-Vorhaben IGF 19555 N der Forschungsvereinigung Edelmetalle + Metallchemie wurde 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.
Inkjet-Druck von Pd-Keimen als Aktivator für die außenstromlose Metallisierung zur volladditiven Herstellung von Leiterbahnstrukturen
Hintergrund
Kupferkaschierte Verbundwerkstoffe wie FR4 stellen in der klassischen Leiterplattentechnologie das Ausgangsmaterial für die Fertigung von elektronischen Schaltungsträgern dar. Der lithografie- und ätzbasierte Herstellungsprozess ist zwar etabliert, bis zur fertigen Leiterplatte ist aber eine lange Prozesskette notwendig. Des Weiteren sind subtraktive Prozesse im Hinblick auf Ressourcenschonung und Abfallvermeidung nachteilig. Digitale Drucktechniken wie Inkjet stellen insbesondere durch kurze Prozessketten und hohe Layoutflexibilität sehr interessante Alternativen zur Erzeugung von Leiterbahnstrukturen dar. Das Drucken von Silber- bzw. Goldnanopartikeltinten ermöglicht zwar das direkte Aufbringen von Leiterstrukturen, aber die hohen Temperaturen zum Versintern der Nanopartikel nach dem Drucken, die geringe Stromtragfähigkeit der gesinterten Strukturen sowie die hohen Kosten für die Edelmetalltinten schränken das Verfahren in der Praxis stark ein. Um die Vorteile des digitalen Funktionsdrucks bei der Herstellung von Leiterbahnstrukturen dennoch nutzen zu können, kann der Inkjet-Druck mit der außenstromlosen Metallisierung kombiniert werden. Dazu wird der für die Metallisierung notwendige Aktivator (Pd-Keime) mittels digitaler Drucktechnik definiert aufgebracht. Eine Metallisierung erfolgt dann nur auf den zuvor bedruckten Bereichen. Mit dieser Technik können Kupfer- bzw. Nickelleiterstrukturen mit hoher Stromtragfähigkeit volladditiv in einem kostengünstigen Prozess auf einer Vielzahl von Kunststoffsubstraten erzeugt werden; die Post-Sinterung der aufgebrachten Strukturen entfällt.
Projektziel
Ziel des Projekts war die Erarbeitung eines kombinierten Verfahrens aus Inkjet-Druck und außenstromloser Metallisierung als vielversprechender Ansatz zur volladditiven Herstellung von Leiterbahnstrukturen auf unterschiedlichen Kunststoffen. Der Fokus lag auf der Entwicklung von Pd-basierten Aktivatortinten. Neben einer ausreichenden Aktivität der Pd-Keime und einer guten Druckbarkeit der entwickelten Tinten, war die Haftfestigkeit der abgeschiedenen Kupfer- bzw. Nickelstrukturen auf den jeweiligen Substraten von besonderem Interesse. Diese wurde durch den Einsatz von Primern und der Zugabe von Haftvermittlern in die Tintenformulierung erhöht.
Danksagung
Das IGF-Vorhaben 21424 N der Forschungsvereinigung Edelmetalle + Metallchemie wurde 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