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Jeder Strukturwerkstoff besitzt spezielle Eigenschaften, mit denen er sich unter bestimmten Bedingungen von anderen Werkstoffen abhebt. Da die Anforderungen an die im Leichtbau zum Einsatz kommenden Strukturen immer weiter an Komplexität gewinnen, geht die Strukturentwicklung verstärkt in Richtung Hochleistungswerkstoffe und Werkstoffsysteme.

Als Kooperationspartner für die Industrie und Forschung liegt der Fokus der Abteilung Leichtbauwerkstoffe in der systematischen, anwendungsorientierten und bedarfsgerechten Optimierung und Weiterentwicklung derartiger Werkstoffe und Werkstoffsysteme einschließlich der Komponentenfertigung.

Die Kernkompetenzen der Abteilung liegen zum einen im Bereich der additiven Fertigung (PBF-LB/M) und zum anderen bei der Charakterisierung, Wärmebehandlung, Fügen und Weiterentwicklung von Leichtmetalllegierungen. Diese beiden Themen sind in den Projekten der Abteilung eng miteinander verzahnt.

Unsere Aktivitäten umfassen u. a.

  • Werkstoffe: Aluminium-, Titanlegierungen, hochfeste Stähle, eigenschaftsgradierte Metalle, Metall-Metall-Verbunde, Hybridverbunde, Funktionsintegrierte Werkstoffe
  • Fertigungsverfahren: Materialorientierte Additive Fertigung, Legierungsentwicklung, Wärmebehandlung, Abschrecken, Aushärten, Fügen, Testing

 

 

 

 

 

Projekte der Leichtbauwerkstoffe

APFeL - Anforderungsangepasste Prozessführung für eine effiziente laseradditive Fertigung von Leichtbaukomponenten

Das Innovationspotential der laseradditiven Fertigung ist immens und dennoch stehen die bisher hohen Kosten einer breiten Anwendung entgegen. Im Projekt APFeL sollen die Herstellkosten für additiv gefertigte, metallische Strukturen um 25 % gesenkt werden, indem die Prozessführung anforderungs- und belastungsgerecht ausgelegt wird. Dies ermöglicht es neue wirtschaftliche Anwendungen im Maschinenbau, der Automobilbranche und der Luftfahrt zu erschließen.

Heute werden metallische Bauteile mittels selektivem Laserstrahlschmelzen im Pulverbett (Laser Powder Bed Fusion, PBF-LB/M) weitestgehend einheitlich und auf einem hohen Qualitätsniveau gefertigt, obwohl unterschiedliche Qualitätsansprüche bestehen und nicht in allen Bauteilbereichen die höchste Qualität erforderlich ist. 

Das Projekt APFeL setzt bei der systematischen Erfassung der individuellen Kundenanforderungen an, um die Prozesskette und die einzelnen Prozessschritte kosteneffizient auszulegen und das geforderte Qualitätsniveau zu erreichen. Mittels Simulation können Bauteilbereiche identifiziert werden, die eine gewisse Porosität und Oberflächengüte zulassen und sich für eine Fertigung mit aufbauratenoptimierten Parametern eignen und somit die Produktivität erhöhen. Dafür wird die Prozess-Eigenschaftsbeziehung untersucht, um Prozessparameter zu entwickeln, die mit geringer Standardabweichung zeitoptimiert in definierten Eigenschaften resultieren. Die Ressourceneffizienz der bauteilindividuellen Prozesskette gegenüber konventioneller Prozessketten wird über eine Lebenszyklusanalyse bewertet.

Ziel des Vorhabens ist eine automatisierte, geometrie- und belastungsabhängige Zuweisung von Prozessparametern, die die komplexen Wechselwirkungen zwischen Werkstoff, Parametern, Geometrie und mechanischer Belastung berücksichtigt. In diesem Projekt arbeitet das Leibniz-IWT mit Materialise GmbH, Fraunhofer IAPT, PRIME aerostructures GmbH, INPECA GmbH, 3N Kompetenzzentrum e.V. zusammen.

 

Dieses Vorhaben wird aus Mitteln des Technologietransfer-Programms Leichtbau des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie gefördert.

Bearbeitung: WT-LW, Materialise GmbH, Fraunhofer IAPT, PRIME aerostructures GmbH, INPECA GmbH, 3N Kompetenzzentrum e.V.

Förderung: 03LB2053F

Laufzeit: 01.07.2023 bis 30.06.2026

Logo des BMWKLogo von MaterialiseLogo von Prime Engineering IdeasLogo des Kompetenzzentrums 3NLogo von InpecaLogo des Fraunhofer IAPT

 

Kontakt:

M.Sc. Lisa Husemann
Tel: +49421 218 51325
E-Mail: husemann(at)iwt-bremen.de

 
Abbildung : Bestandteile einer bauteilindividuellen PBF-LB/M-Prozesskette
AURORA - Additive Fertigung von eisenbasierten Formgedächtnislegierungen

In der Leibniz Junior Research Group AURORA wird an additiv gefertigten eisenbasierten Formgedächtnislegierungen geforscht. Zum Einsatz kommt dabei ein neuartiges 3D-Druck Verfahren mit dem die Legierungszusammensetzung lokal während des Prozesses angepasst werden kann.

Formgedächtnislegierungen sind metallische Werkstoffe, deren plastische Verformungen durch das Erhitzen wieder rückgängig gemacht werden können. Kombiniert mit dem neuartigen 3D-Druck Verfahren wird die Herstellung von Bauteilen mit einer lokalen Funktionalisierung ermöglicht und vollständig neue Wege für die Gestaltung kosteneffizienter, innovativer, leichter und intelligenter Bauteile erschlossen. Dem entsprechend wird in diesem Projekt eine Methodik geschaffen, um eine große Anzahl von Legierungen mit nie da gewesener Materialeffizienz zu untersuchen.

Kooperation: IWT-WT/VT

Förderung: Leibniz-Gemeinschaft - „Leibniz-Junior Research Groups“

Kontakt:
Dr.-Ing. Anastasiya Tönjes
Tel.: 0421 218 51491
E-Mail: toenjes(at)iwt-bremen.de    

AMELA – Thermische Gefügeeinstellung, heißisostatisches Pressen und Zerspanen additiv gefertigter metastabiler Beta-Titanlegierungen für Luftfahrtanwendungen

Das übergeordnete Ziel des Projektes AMELA ist die Untersuchung von metastabilen β-Titanlegierungen für die additive Fertigung von Luftfahrtkomponenten.

Diese Legierungen lassen sich eigenspannungsarm und mit hoher Duktilität mittels selektivem Laserstrahlschmelzen (PBF-LB/M) verarbeiten und die mechanischen Kennwerte anschließend mittels Wärmebehandlung (α-Auslagerung) einstellen.

Die Veränderung des Gefüges wird entlang der Prozesskette über den PBF-LB/M-Prozess, die Wärmebehandlung, das heißisostatische Pressen und die spanende Bearbeitung mittels Fräsen untersucht und mit der Änderung der mechanischen Eigenschaften sowie der Zerspanbarkeit des Materials korreliert. Es konnte bereits gezeigt werden, dass durch die PBF-LB/M-Fertigung auf das Lösungsglühen und Abschrecken der Bauteile vor der α-Auslagerung verzichtet werden kann und auf diese Weise eine Verkürzung der Gesamtprozesskette möglich wird.

Kooperation: IWT-WT/FT, Technische Universität Chemnitz

Förderung: LuFo VI-2 20E1901B

Kontakt:
M.Sc. Daniel Knoop
Tel: +49421 218 51435
E-Mail: dknoop(at)iwt-bremen.de

CONtrol - Kontaminationstolerante unter- und übereutektische Al-Si-Legierungen für die additive Fertigung

In diesem Projekt wird der Einfluss von Fe-Kontaminationen auf Al-Si-Legierungen untersucht, so dass die Kontaminationen durch angepasste Prozessbedingungen kompensiert werden können.

Aluminium wird dank seiner hervorragenden mechanischen und metallurgischen Eigenschaften in einer Vielzahl von Anwendungen in verschiedenen Branchen eingesetzt. In diesem Projekt wird der Einfluss von Fe-Kontaminationen auf Al-Si-Legierungen untersucht, so dass die Kontaminationen durch angepasste Prozessbedingungen kompensiert werden können. In einem ersten Schritt werden AlSi10- und AlSi20-Legierungspulver mit spezifischen Fe-Kontaminationen durch Gasverdüsung und Pulvermischung für das PBF-LB/M-Verfahren hergestellt. Ausgehend von der Charakterisierung der additiv gefertigten Proben werden Modelle zur Beschreibung der Schmelzbadcharakteristik, der Mikrostruktur, der Defektentstehung und der mechanischen Eigenschaften entwickelt.

Kooperation: IWT-WT, Universität Bremen

Förderung: DFG SPP2122

Kontakt:
M.Sc. Layla Shams Tisha
Tel.: +49 421 218 51345
E-Mail: tisha(at)iwt-bremen.de

UBRA ENABLE

Ziel des Projektes ist die ML-unterstützte Entwicklung einer antibakteriell wirksamen Ti6Al4V-xCu Legierung für die pulverbettbasierte laseradditive Fertigung (Laser Powder Bed Fusion, LPBF) zur Reduzierung Implantat-assoziierter Infektionen.

Jährlich werden in Deutschland ca. 40.000 Endoprothesen ersetzt, wobei in ca. 20 % der Fälle eine bakterielle Infektion ursächlich ist. Um dem entgegenzuwirken wird angestrebt aus Ti6Al4V und der Zugabe von Kupfer (Cu) eine Legierung mit antibakteriellen Eigenschaften zu entwickeln. Cu wirkt antibakteriell, indem Cu-Ionen die bakteriellen Zellwände durchdringen, während es sich bei Ti6Al4V um eine etablierte Implantatlegierung handelt. Ti6Al4V-xCu ist nicht kommerziell verfügbar, weshalb dessen klinische Eignung unbekannt ist.  

Aus ökonomischen Gründen werden für die Untersuchungen Primärpulvermischungen hergestellt und in-situ legiert. Es ist geplant Pulvermischungen mit unterschiedlichen Kupferanteilen in einem Bereich von 1 Ma.-% bis 10 Ma.-% zu untersuchen. Wissenschaftliche Studien zeigen, dass das LPBF in-situ Legieren von Cu- mit Ti6Al4V-Pulver bereits zwischen 1,4 Ma.‑ % und 6 Ma.-% zu inhomogenen Ausscheidungszuständen und Porosität führt. Proben hoher relativer Dichte und mit homogener Cu-Verteilung sind jedoch Grundvoraussetzungen für eine HIP-Behandlung (heißisostatisches Pressen) zur Einstellung der kupferinduzierten Kontaktsterilisation durch fein verteilte Ti2Cu-Phasen. Vor diesem Hintergrund soll eine ML-Methode (Maschinelles Lernen) für ein effizientes LPBF-Parameter- und Werkstoffscreening entwickelt werden. Mit LPBF-Einzelschichtversuchen und einem bildanalytischen Ansatz sollen erstmals geeignete Prozessparameter für das in-situ Legieren von Ti6Al4V-xCu identifiziert und die Legierungseigenschaften (relative Dichte, antibakterielle Aktivität, mechanische Eigenschaften) ermittelt werden.

Dieses Vorhaben wird von der U Bremen Research Alliance mit Fördermitteln des Landes Bremen im Rahmen des AI Centers for Health Care gefördert.

Bearbeitung: Leibniz IWT-WT und Universität Bremen Advanced Ceramics

Förderung: UBRA 2022

https://www.iwt-bremen.de/fileadmin/user_upload/UBRA_Logo_AI-Center_2021_RZ_Signatur.png

 

Kontakt:
M. Sc. Anna Strauch
Tel.: +49 421 218 51327
E-Mail: strauch@iwt-bremen.de

AM-MikroMod – Erfassung von Temperaturgradienten und lokalen Abkühlraten in laseradditiv gefertigten Bauteilen zur Beschreibung und Modifikation der mikrostrukturellen Eigenschaften

Ziel der Kooperation zwischen dem Fraunhofer IWM und dem Leibniz-IWT ist eine Modifikation der Mikrostruktur laseradditiv gefertigter Ti6Al4V Bauteile auf Basis der lokal und zeitabhängig eingebrachten Energie.

Dies soll durch eine detaillierte Beschreibung der Temperaturhistorie mittels in-situ Hochgeschwindigkeits-Infrarot-Messung und daraus abgeleiteter thermischer Modellierung eines laseradditiv gefertigten Bauteils geschehen. Die damit im Schmelzbad, seiner Umgebung und dem ganzen Bauteil ermittelten Temperaturen und Temperaturgradienten sollen zur Ableitung von Prozess- und Schreibstrategien für spezifische lokale thermische Belastungen, z. B. in Abhängigkeit der Bauhöhe, Bauraumbelegung, Stützstrategie und Schichtdicke, eingesetzt werden. Damit soll eine gezielte Gradierung oder Homogenisierung des Werkstoffs ermöglicht werden. Die lokale Abkühlrate bei der laseradditiven Fertigung ist ein entscheidender Faktor für die mikrostrukturellen Eigenschaften von Ti6Al4V hinsichtlich Korngröße und Ausbildung bestimmter Phasen. Aus einer exakten Erfassung der lokalen Heiz- und Kühlraten sowie deren Korrelation mit der Bauteilmikrostruktur und den mechanischen Eigenschaften werden mittels einfacher Künstlicher Neuronaler Netze (KNN) generische Zusammenhänge abgeleitet.

Bearbeitung: Leibniz-IWT Leichtbauwerkstoffe, Fraunhofer IWM

Förderung: BMWK- AiF/IGF (22102 N)

Laufzeit: 01.02.2022 bis 31.07.2024

Dieses Projekt gehört zum  Forschungsschwerpunkt "Additive Fertigung" am IWT Bremen.

Kontakt:
M. Sc. Mika Altmann
Telefon: +49421 218 51414
E-Mail: altmann(at)iwt-bremen.de

 

VerA-Verzugskompensation in Aluminiumdruckguss-Prozessketten

Das Ziel des Projektes VerA ist es eine Methode zu erarbeiten, prozessinduzierte Eigenspannungen beim Aluminiumdruckguss in der Produktion zu kompensieren. Betrachtet wird die vollständige Prozesskette vom Gießen bis zur Wärmebehandlung.

Die Motivation des Projektes ist, die wirtschaftliche Herstellung großflächiger, dünnwandiger Druckguss-Integralbauteile, die den Leichtbauanforderungen der Automobilindustrie entsprechen. Derzeit sind zum Ausgleich des Verzugs kostenintensive Maßnahmen wie Richtvorgänge notwendig. In der betrachteten Prozesskette vom Gießen bis zur Wärmebehandlung, werden bei der Wärmebehandlung durch lokal gesteuerte Abschreckung der Verzug und innere Spannungen beeinflusst. Die Abschreckung erfolgt über adaptive Sprühfeld-Systeme. Bei der Anpassung des Sprühfeldes werden bauteilindividuelle Daten der Prozessüberwachung genutzt, so dass durch optimale lokale Abkühlraten der Verzug kompensiert werden kann.

Dieses Vorhaben wurde aus Mitteln Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) gefördert.

Bearbeitung: IWT-Verfahrenstechnik, IWT-Leichtbauwerkstoffe, IFAM

Förderung: BMWi-AiF

Laufzeit: 01.04.2022 – 30.09.2024

Kontakt:
Dr.-Ing. Anastasiya Tönjes 
Tel.: +49 421 218 51491 
E-Mail: toenjes@iwt-bremen.de

M.Sc. Daniel Knoop
Tel.: +49 421 218 51435
E-Mail: dknoop@iwt-bremen.de

 

LegoLas – In-situ-Legierungsvariation beim pulverbettbasierten Laserstrahlschmelzen

Ziel des DFG-Forschungsprojektes ist die exakte Erzeugung variabel auflegierter Proben mittels des pulverbettbasierten Laserstrahlschmelzens.

Die Herstellung variabel auflegierter Proben soll über einen am Leibniz-IWT entwickelten Ansatz, bestehend aus einer Verfahrenskombination aus Suspensionsdrucktechnik und dem pulverbettbasierten Laserstrahlschmelzen, realisiert werden. Dieser zu automatisierende Prozess soll je nach Bedarf gradierte Strukturen mit spezifischen niedriger- und höherlegierten Bereichen erzeugen können. Die Grundlage dieser verschiedenen Legierungsvarianten ist dabei stets dasselbe Ausgangspulver innerhalb eines Fertigungsprozesses. Des Weiteren wird im Rahmen des Forschungsprojektes die Verteilung des Legierungselementes sowohl im Bauraum in Folge der Gasströmung, als auch im umgeschmolzenen Bauteilvolumen detailliert betrachtet. Hiermit soll ein weitgehendes Verständnis über die Rezyklierbarkeit des verwendeten Ausgangspulvers erreicht werden, ohne das mögliche Verunreinigungen des aufgetragenen Legierungselementes nachfolgende Prozesse beeinflussen könnten.

Dieses Vorhaben wird aus Mitteln der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert.

Bearbeitung: WT-LW, BIAS GmbH

Förderung: TO 1395/1-1

Laufzeit: 01.07.2021 – 30.06.2024

Dieses Projekt gehört zum Forschungsschwerpunkt „Additive Fertigung“ am IWT Bremen.

Kontakt:

Dr.-Ing. Anastasiya Tönjes
Tel.: 0421 218 51491
E-Mail: toenjes(at)iwt-bremen.de    

M.Sc. Marcel Hesselmann
Tel.: 0421 218 64549
E-Mail: hesselmann(at)iwt-bremen.de

UBRA Portal

Kern des Vorhabens ist die Untersuchung und Optimierung des additiven Fertigungsprozesses durch automatische Auswahl und Anpassung geeigneter Parametersätze des Fertigungsprozesses und der Materialauswahl durch approximative und probalistische Prädiktorfunktionen.

Endoprothetische Implantatversorgungen, wie Hüft- und Kniegelenke, tragen zu einer höheren Lebensqualität bei und stellen ein etabliertes Verfahren dar. Hierbei wird u. a. auf die Legierung Ti6Al4V zurückgegriffen. Diese weist eine hohe spezifische Festigkeit, Steifigkeit, Biokompatibilität und Korrosionsbeständigkeit auf. Neben geschmiedeten bzw. gegossenen Endoprothesen werden diese mittlerweile auch mit patientenindividuellen Geometrien über die laseradditive Fertigung aus dem Pulverbett (Laser Powder Bed Fusion, LPBF) gefertigt. Eine gewisse Restporosität in LPBF gefertigten Objekten ist unvermeidlich. Hierbei wird in Gasporosität, Anbindungsfehler und Keyhole-Porosität unterschieden. Jegliche Porenart kann zu einem fatalen Versagen führen, da sie insbesondere unter dynamischer Belastung als Rissausgangspunkt fungieren. LPBF Objekte werden für kritische Anwendungen daher einem heißisostatischen Pressen (HIP) unterzogen.

Kern des Vorhabens ist die Untersuchung und Optimierung des additiven Fertigungsprozesses durch automatische Auswahl und Anpassung geeigneter Parametersätze des Fertigungsprozesses und der Materialauswahl durch approximative und probalistische Prädiktorfunktionen. Dazu sollen zunächst maschinell approximierte Vorhersagemodelle abgeleitet werden die es erlauben Versagen und Lebensdauer der Bauteile anhand der Prozessparameter und weiterer sensorischer Fertigungsdaten abzuschätzen (Vorwärtsmodell). Mit diesen Erkenntnissen soll schließlich das inverse Problem (Rückwärtsmodell) erlangt werden um aus gegebenen Ergebnisparametern der Produkte (Eigenschaften) die optimalen Fertigungsparameter abschätzen zu können.

Dieses Vorhaben wird von der U Bremen Research Alliance mit Fördermitteln des Landes Bremen im Rahmen des AI Centers for Health Care gefördert.

Bearbeitung: Leibniz IWT-WT und Universität Bremen

Förderung: UBRA 2021

Kontakt:
M. Sc. Mika Altmann
Tel.: 0421-218 51414
E-Mail: altmann@iwt-bremen.de

TIRIKA – Technologien und Reparaturverfahren für nachhaltige Luftfahrt in Kreislaufwirtschaft

Das Leibniz-IWT ist unterstützt als Forschungspartner in diesem Verbundprojekt das Ziel einer umweltfreundlichen Luftfahrt.

Hierbei liegen die Forschungsschwerpunkte in der Erhöhung des Leichtbaugrads, dem Einsatz von Werkstoffen für neue Antriebstechnologien und die Erhöhung der Bauteillebensdauer von hoher Relevanz. In diesem Zusammenhang wird an der Verbesserung der mechanischen Eigenschaften laseradditiv gefertigter Ti6Al4V-Bauteile geforscht. Es sind neuartige Wärmebehandlungsprozesse zu entwickeln, die unter Beachtung der besonderen Mikrostruktur laseradditiv gefertigter Bauteile deren werkstoffmechanisches Potenzial ausreizen.

Bearbeitung: WT-LW, Verbundprojekt unter der Leitung von Airbus Operations GmbH

Förderung: LuFo VI-2 20W2103J

Laufzeit: 01.01.2022 bis 31.03.2025

Kontakt:
M.Sc. Mika León Altmann
Tel: +49 421 218 51414
E-Mail: altmann(at)iwt-bremen.de

HIP⁴AM - Heiß-Isostatisches Pressen für die Additive Fertigung

Am Leibniz IWT wurde im Rahmen des Projekts HIP4AM eine heißisostatische Presse (HIP) mit integrierter Abschreckeinrichtung zur Nachverdichtung und Hochdruckwärmebehandlung von hochfesten, metallischen Bauteilen installiert.

Die Presse ermöglicht die Wärmebehandlung bei bis zu 1400°C unter einem isostatischen Gasdruck von bis zu 2000 bar. In Kombination mit der integrierten Abschreckeinrichtung ist die Entwicklung von kombinierten HIP-Wärmebehandlungsprozessen ermöglicht.

Die Anlage ergänzt die am Institut bestehende durchgängige Prozesskette der additiven Fertigung vom Pulver zum geprüften Bauteil und ermöglicht die Untersuchung des werkstofftechnischen Potentials dieser Prozesse. Die Beschaffung wurde mit Mitteln aus dem EFRE-Programm Bremen 2014-2020 unterstützt.

Bearbeitung: WT-LW, WT-WB, ECOMAT

Förderung: EFRE-Programm Bremen 2014-2020

Laufzeit: 04/2019 – 04/2021

Kontakt:
M.Sc. Daniel Knoop
Tel: +49-421/51435
E-Mail: dknoop@iwt-bremen.de