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.
Acknowledgement
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.
Acknowledgement
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.
Acknowledgement
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
Background
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.
GOAL
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.
Acknowledgement
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 Welding Solutions for Aluminium Additive Manufactured Light Weight Components (WeldAlAM)
BACKGROUND
One of the main cost drivers of today’s lightweight application for automotive or aeronautic components are costs for raw material independent of the manufacturing routes. Complex component designs and large size parts require long lead times and the need of large production infrastructure. With respect to additive manufacturing (AM) of large aluminium parts it becomes increasingly challenging to ensure homogeneous material quality at affordable costs. They can currently not compete with the high and repeatable material quality and low cost structure of semi-finished products such as extrusions and sheets.
APPROACH AND GOALS
AM technology to produce smaller parts and to combine these with semi-finished components offers great potential to overcome the above addressed requirements and high costs for large parts. It opens the opportunity to define interfaces to connect these parts with semi-finished products by industrial well-established joining technologies, such as gas tungsten arc welding (GTAW) or laser beam welding (LBW).
The focus of the WELDALAM project will be on evaluating weldability of high strength aluminium AM parts and consequently validating different welding technologies. The approach will follow a lab-based level to explore process principles and followed by a mock-up phase for two relevant components selected together with the UC.
EB welding represent reference for beam welding and GTAW is intended as basis for conventional arc welding technologies. LBW and friction stir welding will be developed to overcome porosity and weldability problems. The investigation will be covered by non-destructive testing as well as metallographic characterization of the AM parts and weld seams. Additionally surface treatments and corrosion test are planned to qualify the parts for future lightweight applications. SME will benefit from establishing “good practice rules” for different industry sectors, furthermore SME profit from the research regarding surface treated aluminium parts.
FUNDING
Innovative Welding solutions for Aluminium Additive Manufactured light weight components (WeldAlAM) is a Cornet Project funded by national agencies members of the Cornet Network.
CONTACT
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