Entwicklung eines additiven Fertigungsverfahrens auf Basis der Extrusion von teilflüssigen Metallfilamenten

• Antragsteller: Dr.-Ing. Kim Rouven Riedmüller
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 572738510

Additive Fertigungsverfahren können insbesondere bei der Herstellung von Kleinteilen, komplizierten Bauteilgeometrien und Ersatzteilen mit kleinen Stückzahlen eine material- und energieeffizientere Lösung im Vergleich zu Ur- und Umformverfahren sowie zu subtraktiven Fertigungsverfahren bieten. Ob Bauteile dabei effizienter additiv als mit anderen Verfahren hergestellt werden können, hängt neben den erforderlichen Stückzahlen vor allem vom verwendeten Prozess ab. Für die Verarbeitung von metallischen Werkstoffen sind etwa Pulverbettverfahren am weitesten in der industriellen Praxis verbreitetet. Die hierbei eingesetzten Maschinen und Anlagen sind aber mit relativ hohen Stundensätzen verbunden. Zudem sind die pulverbettbasierten Prozesse inhärenten physikalischen Beeinträchtigungen wie einer relativ geringen Baurate und stark ausgeprägten thermischen Gradienten unterworfen. Für die additive Verarbeitung von Aluminiumlegierungen bietet diesbezüglich die drahtbasierte Extrusion im teilflüssigen Materialzustand eine innovative Alternative mit potenziell höherer Produktionsgeschwindigkeit sowie moderaten Prozesskosten. Die hierfür aktuell eingesetzten induktiv temperierten Druckkopfkonzepte weisen jedoch, bedingt durch das applizierte Magnetfeld, unkontrollierbare thermische Wechselwirkungen mit dem Werkstück sowie der Anlagenperipherie auf. Zudem liegt aufgrund der in diesen Druckköpfen fehlenden Fließpressschulter keine Extrusion im eigentlichen Sinne vor, was aufgrund des mangelnden Extrusionsdrucks zu makrostrukturellen Gefügefehlern im Bauteil führt. Die wissenschaftliche Zielsetzung dieses Forschungsvorhabens besteht daher in der Weiterentwicklung des Verfahrensprinzips der extrusionsbasierten additiven Fertigung mit teilflüssigen Aluminiumdrähten zur Herstellung defektfreier Werkstücke. Hierfürwird zunächst mithilfe von thermisch transienten Simulationen sowie CFD-Simulationen ein grundlegendes Prozessverständnis erlangt. Darauf aufbauend erfolgt die numerisch unterstützte, konstruktive Konzeptionierung eines optimierten Druckkopfaufbaus mit konduktiver Erwärmung und Fließpressschulter. Im Anschluss erfolgt die experimentelle Erprobung des erarbeiteten Druckkopfdesigns. Simulativ vorbestimmte Anlagenparameter werden evaluiert und ggfs. im Experiment iterativ optimiert. Zudem wird eine spezifische Depositionsstrategie, die das Aufbrechen bestehender oxidischer Schichten ermöglicht, entwickelt und experimentell validiert. Die Eignung der ermittelten Parameter wird durch mikrostrukturelle und mechanische Untersuchungen an damit erzeugten Probekörpern bewertet. Abschließend erfolgt die Herstellung eines komplexen Demonstratorbauteils in Form eines Verdichterrades für Turbolader, um das entwickelte Verfahrensprinzip final zu validieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen