Technische Universität München
Neutronen des FRM II helfen bei der Verbesserung von 3D-Druck von Aluminium
TECHNISCHE UNIVERSITÄT MÜNCHEN
PRESSEMITTEILUNG
Neutronen helfen bei der Verbesserung von 3D-Druck von Aluminium
Materialforschung für die Zukunft der Luftfahrt
- 3D-Druck mit hochfesten Aluminiumlegierungen bislang problematisch wegen Rissbildung
- Neutronenmessungen am FRM II zur Analyse von Spannungen, Rissen und Mikrostruktur
- Kooperation von TUM, FAU und Colibrium Additive
Wie lassen sich besonders leichte und dennoch extrem belastbare Aluminiumbauteile für die Luft- und Raumfahrt im industriellen 3D-Druckverfahren herstellen? Diese Frage steht im Mittelpunkt des neuen, vom Bund geförderten Forschungsprojekts Aluminium aus Additiver Fertigung (AlaAF). Die Technische Universität München (TUM) mit Ihrem Forschungsreaktor FRM II, das Unternehmen Colibrium Additive und die Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) wollen gemeinsam entsprechende Lösungen entwickeln.
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.
Forschungspartner mit klaren Kompetenzen
Bei dem vom Bundesministerium für Bildung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) mit einer Summe von 1,17 Mio. Euro geförderten Projekts im Rahmen des Aktionsplans zur Erforschung von Universum und Materie (ErUM) arbeiten die drei Forschungspartner 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 eine realitätsnahe Simulation industrieller Einsatzbedingungen. So kann das Materialverhalten unter typischen Betriebsbedingungen erfasst werden.
Weitere Informationen:
- Der FRM II
- Aktionsplan zur Erforschung von Universum und Materie (ErUM) des BMFTR
- Die Prüfmaschine wurde vom BMFTR im Rahmen der Projekte High Temperature Materials (HiMat) und Hydrogen Materials (H2Mat) gefördert.
Zusatzinformationen für Redaktionen:
Fotos zum Download: https://mediatum.ub.tum.de/1796695 und https://mediatum.ub.tum.de/1796694
Wissenschaftlicher Kontakt:
Sprecher des Konsortiums AlaAF
Technische Universität München
Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ)
Leiter Advanced Materials Group
Industriekoordinator des MLZ
Kontakt im TUM Corporate Communications Centre:
Ulrich Meyer
Pressesprecher
+49 89 289 22779
Die Technische Universität München (TUM) ist mit rund 700 Professuren, 53.000 Studierenden und 12.000 Mitarbeitenden eine der weltweit stärksten Universitäten in Forschung, Lehre und Innovation. Ihr Fächerspektrum umfasst Informatik, Ingenieur-, Natur- und Lebenswissenschaften, Medizin, Mathematik sowie Wirtschafts- und Sozialwissenschaften. Sie handelt als unternehmerische Universität und sieht sich als Tauschplatz des Wissens, offen für die Gesellschaft. An der TUM werden jährlich mehr als 70 Start-ups gegründet, im Hightech-Ökosystem München ist sie eine zentrale Akteurin. Weltweit ist sie mit dem Campus TUM Asia in Singapur sowie Büros in Brüssel, Mumbai, Peking, San Francisco und São Paulo vertreten. An der TUM haben Nobelpreisträger und Erfinderinnen und Erfinder wie Rudolf Diesel, Carl von Linde und Rudolf Mößbauer geforscht. 2006, 2012 und 2019 wurde sie als Exzellenzuniversität ausgezeichnet. In internationalen Rankings wird sie regelmäßig als beste Universität in der Europäischen Union genannt.