Materialforschung für die Zukunft der Luftfahrt
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Neutronen helfen bei der Verbesserung von 3D-Druck von Aluminium
Im Fokus steht dabei das sogenannte Laser Powder Bed Fusion (LPBF)-Verfahren, ein additiver Fertigungsprozess, bei dem Metallpulver Schicht für Schicht mithilfe eines Lasers zu hochpräzisen Bauteilen verschmolzen wird. Dieses Verfahren ermöglicht eine große Designfreiheit. Es konnte jedoch bisher zum Beispiel bei hochfesten Aluminium-Legierungen, wie sie für tragende Strukturelemente in Flugzeugen und Raumfahrtgeräten benötigt werden, nicht eingesetzt werden, da sie bei der Abkühlung zur Bildung von Rissen neigen.
Keramikpartikel als "Mikro-Baumeister"
Das Projekt verfolgt einen neuen Ansatz, bei dem spezielle Zusatzstoffe im Metallpulver während des Druckprozesses chemisch reagieren und fein verteilte keramische Partikel im Submikrometerbereich bilden. Diese Partikel beeinflussen das Kristallwachstum im Material, indem sie eine feinkörnige, gleichmäßige Mikrostruktur fördern und somit die Entstehung von Rissen reduzieren. Damit wird die industrielle Nutzung der bislang als kaum druckbar geltenden Aluminium-Legierungen möglich, was klare Vorteile bedeutet, wie geringeres Gewicht, höhere Belastbarkeit und eine nachhaltigere Fertigung durch Materialeinsparung.
Partner mit klaren Kompetenzen
Im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) mit einer Summe von 1,17 Mio. Euro geförderten Projekts arbeiten die drei Partner eng zusammen:
Das 3D-Druck-Unternehmen Colibrium Additive bringt modernste industrielle Technologie ein und entwickelt gemeinsam mit der TUM und der FAU die geeigneten Prozessparameter für das LPBF-Verfahren. Die FAU analysiert hierzu insbesondere mit mikroskopischen Methoden die gedruckten Materialien und deren mechanischen Eigenschaften. Die Forschenden am FRM II sind verantwortlich für die umfassende Untersuchung und Qualitätsprüfung der Werkstoffe mittels Neutronenmethoden.
Dabei kommen am FRM II mehrere spezielle Verfahren zum Einsatz: Mit der Neutronendiffraktion lassen sich Phasenverteilungen und innere Spannungen, zentrale Größen für die Bewertung von Festigkeit und Stabilität, präzise bestimmen. Die Neutronenbildgebung (Radiographie und Tomographie) ermöglicht es, selbst feinste Risse oder Poren zerstörungsfrei und tief im Inneren der Proben sichtbar zu machen. Generell wird die größere Sensitivität der Neutronen im Gegensatz zu Röntgenstrahlung genutzt, um die Mikrostruktur des Materials besser zu verstehen.
Dr. habil. Ralph Gilles, Projektleiter der TUM und Sprecher des Konsortiums, erläutert den besonderen Vorteil dieser Methoden: „Neutronen haben eine hohe Eindringtiefe und eignen sich daher hervorragend zur Analyse großer, additiv gefertigter Bauteile für die Industrie – eine Aufgabe, die mit anderen Techniken so nicht möglich wäre.“
Zusätzlich erlaubt die Kombination von Neutronenexperimenten mit mechanischer Belastung und Temperaturvariation an einer am FRM II eigens entwickelten Prüfmaschine (BMFTR gefördertes Projekt HiMat und H2Mat) eine realitätsnahe Simulation industrieller Einsatzbedingungen. So kann das Materialverhalten unter typischen Betriebsbedingungen erfasst werden.
Wissenschaftlicher Kontakt:
Dr. habil. Ralph Gilles
Sprecher des Konsortiums AlaAF
Technische Universität München
Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ)
Leiter Advanced Materials Group, Industriekoordinator des MLZ