Siemens AG

Die „moderne Kunst“ der Werkstoffentwickler

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Werkstoffe pfiffig neu kombinieren

Nicht nur die inhaltliche Zusammensetzung einzelner Werkstoffe und deren Eigenschaften sind für die CT-Forscher von Interesse. Auch der Frage, wie diese miteinander verbunden werden, gehen sie nach. Mit dem Spark Plasma Sintering-Verfahren haben sie das Problem gelöst, aus verschiedenen Pulvern porenfreie, hoch belastbare Bauteile zu pressen. Sie leiten elektrischen Strom durch den Pulverrohling, der sich erhitzt. Bei einer Stromstärke von 3.000 Ampere und einer Spannung von vier Volt entstehen hohe Temperaturen. Damit werden gezielt Grenzflächen, also diejenigen Stellen, an denen sich die Pulverteilchen berühren, erhitzt. Die Folge: eine wesentlich schnellere Aufheizung und damit eine drastische Verkürzung der Prozesszeit. Die Ausgangsstoffe des Endprodukts sind schließlich fast so fest verbunden, als wären sie ein homogenes Material.

Schicht für Schicht zum Material-Newcomer

Hohe Temperaturen spielen ebenfalls bei der Methode der Additiven Fertigung von Bauteilen aus Metall eine zentrale Rolle. Diese Technik könnte in den nächsten Jahren die Prozesse des industriellen Maschinenbaus revolutionieren. So kann beispielsweise das Pulver einer sonst schwer bearbeitbaren Nickellegierung mithilfe eines Lasers auf Schmelztemperatur gebracht werden, um die Schmelzepartikel fest miteinander zu verbinden. Schicht für Schicht wird so eine dreidimensionale Struktur aufgebaut.

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Die Vorteile: Komplexe Werkstücke, die bislang nicht oder nur in aufwändiger Bearbeitung aus mehreren Einzelteilen gefertigt werden konnten, lassen sich nun direkt aus dem 3D-CAD-Volumenmodell herstellen. Vorzeigebeispiel hierfür sind die filigranen Kühlkanäle im Inneren von Turbinenschaufeln, die deren Kühlung optimieren. Siemens hat erstmals Gasturbinenschaufeln, die vollständig additiv gefertigt wurden, bei voller Leistung in einer Gasturbine getestet. Ebenfalls Anwendung findet das Verfahren bei der Reparatur von Brennerspitzen für Gasturbinen. Die Folge: bestimmte Wartungsprozesse werden auf ein Zehntel der bislang üblichen Zeit beschleunigt und die Kosten dadurch um rund 30 % reduziert. Auch individuelle Ersatzteile lassen sich per 3D-Druck schneller, dezentral und kostengünstiger fertigen.

Simulation geht auch bei additiven Fertigungsmethoden

Beim 3D-Druck wird deutlich, wie untrennbar Werkstoff und Fertigungsprozess miteinander verzahnt sind. So sind hochwertige Materialien mit komplexen Eigenschaften stets die Ausgangsbasis für einzelne Komponenten. Produkteigenschaften wie Festigkeit und Geometrie aber entstehen erst im 3D-Druckprozess. Hoch entwickelte Simulationsverfahren, die auf physikalischen Modellen beruhen, ermöglichen es, die Fabrikationsprozesse virtuell vorwegzunehmen, zu optimieren und Fehler bereits vor dem Druckbeginn zu eliminieren. So lassen sich Werkstoffe, Gestalt des Bauteils und Prozessparameter optimal aufeinander abstimmen, noch bevor die Fertigungsanlagen in Gang gesetzt werden. Nur dann entstehen aus hochwertigen Pulverwerkstoffen auch maßgenaue Bauteile, die frei von Verzug sind, minimale Eigenspannungen aufweisen und die erforderlichen Festigkeitswerte erreichen.

* Textquelle: Pictures of the Future, das Siemens-Magazin für Forschung und Innovation, PoF

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