Gradiert poröse Strukturen aus dem Metall-3D-Drucker

Demonstration der additiven Fertigung poröser Strukturen: Das metallische Logo des Fraunhofer ILT veranschaulicht die regulierbare Durchlässigkeit durch integrierte poröse Zonen, gesteuert mittels Knopfdruck.

Forscher am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT haben eine Methode entwickelt, mit der sich metallische Werkstoffe additiv so verarbeiten lassen, dass sie lokal permeabel oder dicht sind - mit gradierten Übergängen dazwischen, hoher Präzision, reproduzierbar und in einem einzigen Fertigungsschritt.

Die neu entwickelte Methode basiert auf dem bewährten Laser Powder Bed Fusion (LPBF) Verfahren, bei dem Metallpulver schichtweise aufgetragen und mit einem Laser selektiv umgeschmolzen wird. Bisher lag der Fokus darauf, möglichst dichte und belastbare Bauteile herzustellen. »Aber wenn wir lokal gezielt Porosität zulassen – zum Beispiel durch veränderte Prozessparameter – können wir kontrollierte Permeabilität erzeugen«, erklärt Andreas Vogelpoth aus der Gruppe LPBF Prozess- und Systemtechnik am Fraunhofer ILT.

Das Ergebnis sind vollständig metallische Komponenten, die lokal permeabel sind – zum Beispiel für Gase oder Flüssigkeiten – und dabei weiterhin die benötigte mechanische Integrität aufweisen. Der Trick: Unterschiedlich dichte Bereiche lassen sich durch das LPBF-Verfahren innerhalb eines Bauteils kombinieren. Die Übergänge können entweder trennscharf oder gradiert realisiert werden.

Klassische Metallschäume oder Gewebestrukturen erfüllen ähnliche Funktionen, müssen aber meist separat hergestellt und in Bauteile eingebracht werden. Das kostet Zeit, ist hinsichtlich des Gestaltungsfreiraums begrenzt und führt aufgrund von Naht- und Verbindungsstellen zur Änderung von physikalischen Eigenschaften des Bauteils, beispielsweise die Steigerung von thermischen und elektrischen Widerständen. Die Fraunhofer-Lösung integriert poröse Zonen direkt in das Bauteil. Nachbearbeitung ist nicht nötig. Selbst komplexe Geometrien mit innenliegenden Strukturen lassen sich so verwirklichen.

»Wir bringen damit eine neue Funktionalität in den 3D-Druck – Permeabilität als gestaltbares Merkmal«, erklärt Vogelpoth. Besonders interessant ist das Verfahren überall dort, wo Gase oder Flüssigkeiten gesteuert verteilt, gefiltert oder geleitet werden müssen.

Ein zentrales Einsatzgebiet ist die Wasserstofftechnologie, konkret: Elektrolyseure. Diese bestehen aus komplex aufgebauten Zellstapeln mit verschiedenen Funktionsschichten. Das Fraunhofer ILT prüft derzeit, ob sich diese Schichten direkt additiv fertigen lassen, inklusive gezielt durchlässiger Bereiche. Ziel ist, die Zahl der Einzelteile zu reduzieren, und so Effizienz, Materialeinsatz und Produktionskosten zu verbessern.

Die Experten des Fraunhofer ILT sind zudem bereits in Kontakt mit Endanwendern anderer Einsatzgebiete wie Turbomaschinenbau, Werkzeugbau, Wärmetauscher und Filter sowie Chemie. Das breite Spektrum an möglichen Anwendungsfällen unterstreicht die Relevanz der entwickelten Lösung für Hochtechnologieanwendungen.

Die Herstellung der porösen Bereiche ist zuverlässig reproduzierbar, was die Forscher bereits mit Computertomografie und Querschliffen nachgewiesen haben. Aktuell wird im Rahmen eines Forschungsprojekts am nächsten Schritt gearbeitet: der präzisen Steuerung der Permeabilität über Prozessparameter.

»Unser Plan ist, dass Anwenderinnen und Anwender uns künftig sagen, welche Permeabilität in welchen Bauteilbereichen benötigt wird – und wir liefern das passende Design und die passenden Prozessparameter«, so Vogelpoth.

Im Unterschied zu anderen Akteuren, die ähnliche Verfahren bereits im Turbomaschinenbau untersuchen, verfolgt das Fraunhofer ILT einen offenen, anwendungsübergreifenden Ansatz. Ziel ist, das Verfahren für neue Einsatzfelder zugänglich zu machen – gerade auch für mittelständische Unternehmen, die bislang keinen Zugang zu solch komplexen Fertigungsmethoden hatten.