EU-Projekt InShaPe – nächster Innovationssprung in der metall-basierten additiven Fertigung

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In vielen Industriebranchen wie in der Automobilindustrie, in der Luft- und Raumfahrt oder im Energiesektor steigt die Nachfrage nach metallischen Spezialbauteilen, die leicht sind und eine hohe Festigkeit besitzen. So benötigen etwa moderne Gasturbinen extrem stabile und gleichzeitig leichte Hitzeschilder. Ein wichtiges Herstellungsverfahren hierfür ist die pulverbett-basierte additive Fertigung von Metallen. Im Englischen ist dieses Verfahren bekannt unter dem Begriff ‚Powder Bed Fusion of Metals using Laser Beam‘ (PBF-LB/M). Je nach Anwendungsfall ist das Verfahren gegenüber der konventionellen Fertigung in puncto Stückkosten noch nicht immer wettbewerbsfähig. Das von der EU mit 6,8 Millionen Euro geförderte Forschungs- und Innovationsprojekt InShaPe hat es sich zum Ziel gesetzt, einen entscheidenden Beitrag zur Weiterentwicklung der Technologie zu leisten. Unter Koordination der Technischen Universität München (TUM), hier der Professur für Laser-based Additive Manufacturing, arbeiten im Projekt zehn Partner aus sieben Ländern zusammen.

Prof. Dr.-Ing. Katrin Wudy, Leiterin der Professur für Laser-based Additive Manufacturing
Prof. Dr.-Ing. Katrin Wudy leitet das Projekt InShaPe. Bild: Stefan Woidig/TUM
pulverbett-basierte additive Fertigung von Metallen
Pulverbett-basierte additive Fertigung von Metallen mit Lasertechnik. Bild: Stefan Woidig/TUM

Bei der pulverbett-basierten, additiven Fertigung von Metallen wird Metallpulver in einer äußerst dünnen Schicht auf eine Bauplattform aufgebracht. Diese Pulverschicht wird mittels eines fokussierten Laserstrahls aufgeschmolzen und verbindet sich beim Erstarren mit der darunterliegenden Materialschicht.  Dieser Vorgang wird Schicht für Schicht so oft wiederholt, bis ein fertiges Bauteil entsteht. Durch den schichtweisen Aufbau können komplexe und gewichtssparende Geometrien realisiert werden. Das fertige Bauteil wird vom überschüssigen Pulver befreit und wird dann in der Regel je nach Anwendung noch nachbearbeitet.

Flexible Anpassung des Laserspots ermöglicht effiziente und kostengünstige Fertigung
Ziel des kürzlich gestarteten InShaPe-Projekts ist es, die metall-basierte, additive Fertigung weiterzuentwickeln. Der verbesserte Fertigungsprozess basiert auf einem optischen Hochleistungsmodul mit programmierbarer Intensitätsverteilung und KI-Techniken zur Bestimmung der optimalen Strahlform für das Zielobjekt, zum Beispiel bestimmt durch den Materialtyp und die Geometrie. InShaPe entwickelt ferner ein innovatives Prozessüberwachungs- und -steuerungssystem zur Qualitätsanalyse, das die gleichzeitige Beobachtung von Licht unterschiedlicher Wellenlängen (multispektrale Bildgebung) in den Bereich der additiven Fertigung integriert.

„Die Kombination dieser beiden neuen Technologien ermöglicht effiziente und fortgeschrittene Belichtungsstrategien, sodass selbst anspruchsvollste Fertigung komplexer Spezialbauteile auf Anhieb funktioniert“, so InShaPe-Koordinatorin Prof. Dr.-Ing. Katrin Wudy von der School of Engineering and Design der Technischen Universität München.

InShaPe macht metall-basierte, additive Fertigung schneller, günstiger und nachhaltiger
Das Konsortium hat sich zum Ziel gesetzt, diese Form der additiven Fertigung zu einer kommerziell breiten Fertigungstechnologie weiter zu entwickeln, die herkömmliche Herstellungsverfahren wie Druckguss in puncto Präzision und Nachhaltigkeit zukünftig übertreffen soll. Denn die Anpassung der Laserstrahlform und die neuen Belichtungsmöglichkeiten erlauben einen energie- und materialeffizienten Fertigungsprozess. Gleichzeitig soll die InShaPe-Innovation bei den Stückkosten, der Flexibilität und dem Fertigungsvolumen die Wettbewerbsfähigkeit der additiven Fertigung gegenüber traditionellen Herstellungsverfahren unter Beweis stellen. Durch die KI-gestützte Steuerung und Bedienung sollen darüber hinaus auch nicht-hochqualifizierte Arbeitskräfte das neue Verfahren anwenden können.

Das übergeordnete Ziel von InShaPe ist die Weiterentwicklung und Demonstration eines innovativen Pulverbettverfahrens für Metalle (PBF-LB/M) für vier industrielle Anwendungsfälle in den Branchen Luft- und Raumfahrt sowie der Energie- und Automobilindustrie. Im Vergleich zum aktuellen Stand der Technik sollen folgende Vorteile erreicht werden:

·        eine siebenmal höhere Fertigungsrate

·        über 50 Prozent niedrigere Kosten

·        60 Prozent weniger Energieverbrauch

·        30 Prozent weniger Ausschuss

Langfristig soll die erfolgreiche Entwicklung und Vermarktung der InShaPe-Technologien die europäische PBF-LB/M-Fertigungsbranche als führende Anbieterin von hochkomplexen Teilen stärken und neue Best-in-Class-Standards für digitale, ressourcenschonende und agile laserbasierte Produktionsmethoden setzen.

Über das EU-Projekt InShaPe
InShaPe startete am 1. Juni 2022 und läuft bis Ende Mai 2025. Das Projekt wird von der Technischen Universität München mit neun weiteren Partnern aus Deutschland, Frankreich, Israel, Italien, den Niederlanden, Schweden und Spanien durchgeführt. Die Projektleitung liegt bei Prof. Dr.-Ing. Katrin Wudy, Leiterin der Professur für Laser-based Additive Manufacturing der Technischen Universität München www.mec.ed.tum.de/en/lbam. Weitere deutsche Partner sind EOS, Oerlikon AM sowie die Bayerische Forschungsallianz. Die EU fördert das Vorhaben unter dem europäischen Rahmenprogramm für Forschung und Innovation „Horizon Europe“ mit 6,8 Mio. Euro.