Leichtbauteile aus hochfestem Vergütungsstahl

Das Forschungsprojekt „ToPoLight" untersucht ein laserbasiertes Herstellungsverfahren für Leichtbauteile aus hochfestem Vergütungsstahl. Die Leichtbaukomponenten der nächsten Generation können vielen Hightech-Industriezweigen Erfolg bringen.
Filigrane Form: Neuartige, sehr effiziente Leichtbaukomponenten aus Vergütungsstahl eignen sich für zahlreiche Hightech-Branchen. (Fraunhofer ILT)
Filigrane Form: Neuartige, sehr effiziente Leichtbaukomponenten aus Vergütungsstahl eignen sich für zahlreiche Hightech-Branchen.
Foto: Fraunhofer ILT

Leichtbau bedeutet unter anderem, Material nur an denjenigen Stellen einzusetzen, an denen tatsächlich Belastungen auftreten. Je stärker die lokale Belastung innerhalb eines Bauraums, desto mehr Material wird dieser Stelle „zugewiesen". Wo keine Belastung auftritt, entfällt Material, um unnötiges Gewicht und Ressourcenverbrauch zu vermeiden. Computersimulationen berechnen derartige Formen bzw. Strukturen selbstständig.

In der Natur finden sich Leichtbaustrukturen in vielen Bereichen: beispielsweise Bambusrohr oder auch der menschliche Knochenbau. Dafür benötigt die Natur Jahrmillionen an Evolution. Mittels Softwaresimulation hingegen entstehen entsprechende Bauteilformen in nur wenigen Tagen –sogenannte Topologieoptimierungs-Berechnungen machen es möglich. Dabei können sich mit steigender Rechenzeit immer filigranere Gitterstrukturen ergeben. Solche Strukturen sind mit konventionellen Produktionsverfahren meist nicht mehr herstellbar.

Frei von mechanischen Zwängen

Mit dem Laser Beam Melting als pulverbettbasiertem Fertigungsverfahren können feingliedrige Strukturen umgesetzt werden. Das Ausgangsmaterial, ein Metallpulver, wird Schicht für Schicht lokal aufgeschmolzen: Das Pulver liegt in Lagen von etwa 30 bis 50 Mikrometer Schichtdicke auf einer Trägerplatte. Mithilfe der thermischen Einwirkung eines Laserstrahls wird das Material dort erhitzt, wo sich aus der Topologieoptimierung Materialbedarf ergeben hat. Anschließend wird die nächste Pulverschicht aufgetragen. Gitterstrukturen können auf diese Weise „wachsen". Zwar gibt es dabei auch gewisse Fertigungsrestriktionen wie beispielsweise nicht zu unterschreitende Aufbauwinkel. Diese lassen sich jedoch meist durch geeignete Orientierung im Bauraum umgehen, sodass ein deutlicher Mehrwert gegenüber herkömmlichen Fertigungsverfahren entsteht.

Ein weiterer Pluspunkt des Verfahrens gegenüber herkömmlichen Verfahren liegt darin, dass Werkzeugwechsel beim Rüsten entfallen. Dies bedeutet kürzere Rüstzeiten sowie einen geringeren Verbrauch an Verschleißteilen und damit einen Kostenvorteil. Vor allem aber steigt die Wirtschaftlichkeit durch die in diesem Vorhaben geplante Topologieoptimierung.

Es ist die Geometrie des Bauteils, die den Leichtbau ausmacht und nicht, wie herkömmlich, ein kostenintensiver Werkstoff. So ebnet das LBM-Verfahren langfristig den Weg, um auch günstige Werkstoffe zur Herstellung gewichtsoptimierter Bauteile zu verwenden.

Im Einsatz zeichnen sich die neuartigen Leichtbaukomponenten in erster Linie durch die sehr hohe Gewichtsreduzierung aus. Dies führt im Betrieb von Fahrzeugen zu entscheidend weniger CO2-Emission. Und der gesunkene Ressourcenverbrauch kommt durch den geringeren Materialeinsatz bereits auf Ebene der Produktion zum Tragen.

Technologieschrittmacher für die Serienfertigung im Leichtbau

Das Laser Beam Melting besitzt das Potential, hochkomplexe Leichtbauteile auch in höheren Stückzahlen und in breiter gefächerten Anwendungsgebieten zu realisieren. Vor diesem Hintergrund liegt der Fokus im Projekt „ToPoLight", das die beiden Unternehmen cp autosport GmbH und die M.TEC Ingenieurgesellschaft für kunststofftechnische Produktentwicklung mbh gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT in Aachen durchführen, auf der Anwendung des LBM-Verfahrens im High Performance-Automobilsektor. Konkretes Ziel ist die Herstellung topologieoptimierter Leichtbaukomponenten mit integrierten Gitterstrukturen, die lokal angepasste mechanische Eigenschaften besitzen. Ein erfolgreicher Projektabschluss fördert die horizontale Integration dieses Fertigungsansatzes in Industriezweigen wie dem Automobilsektor in den Bereichen High-Performance und Kleinserie.

Beteiligte Unternehmen erproben die Prozesskette

Die Projektpartner decken die gesamte Prozesskette der Herstellung von Leichtbaukomponenten aus Vergütungsstahl mittels des Laser Beam Melting-Verfahrens ab. Projektkoordinator ist die CP autosport GmbH im nordrhein-westfälischen Büren. Als Designer, Entwickler, Hersteller und Tester von high-performance Rennsportkomponenten stellt sie den Rohstoff bereit - das Metallpulver - und ist durchführende Kraft der Testinstanzen zum Projektende hin. Die M.TEC GmbH im nordrhein-westfälischen Herzogenrath bei Aachen entwickelt als Ingenieurdienstleister für integrierte Produktentwicklung mit einem umfangreichen Portfolio an CAD- und CAE-Systemen die Simulationsmethoden zur Optimierung und Auslegung von Bauteilstrukturen, die die Fertigungsrestriktionen des Laser Beam Meltings von Anfang an vollständig erfüllen. Das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT im nordrhein-westfälischen Aachen erforscht als weltweit anerkanntes Auftragsforschungs- und Entwicklungsinstitut im Bereich der Lasertechnologie seit über 15 Jahren das Laser Beam Melting-Verfahren bis hin zur Patentinhaberschaft, um das anwendbare Materialspektrum und damit das Anwendungsfeld zu vergrößern.

Gegen Ende des Forschungsprojekts muss sich ein Demonstratorbauteil auf einem Prüfstand unter Einsatzbedingungen, wie sie im Motosport herrschen, behaupten. Die Belastungen sind enorm, wie im echten Rennbetrieb. Halten die gitterstrukturierten Bauteile mit ihrem signifikanten Gewichtsvorteil den Belastungen stand, sind sie ihrem Einsatz in einem echten Rennwagen eine Runde näher gekommen.