Hochfeste nanoverstärkte Aluminium-Fülldrähte für die lichtbogenbasierte additive Fertigung
Motivation und Ziele
Die lichtbogenbasierte additive Fertigung mit drahtförmigem Zusatzwerkstoff hat das Potential, hohe Aufbauraten für großvolumige Bauteile umzusetzen. Für die Fertigung von Leichtbaukomponenten aus Aluminium steht jedoch nur eine begrenzte Bandbreite an niedrigfesten Standard-Massivdrähten zur Verfügung. Kohlenstoff-Nanopartikel bieten ein ausgezeichnetes Potential, um die Festigkeit von Aluminium ohne nachträgliche Wärmebehandlung signifikant zu erhöhen. In dem Verbundvorhaben soll ein hochfester Aluminium-Fülldraht (AluNanoCore) für die lichtbogenbasierte additive Fertigung (ALM) entwickelt werden, der eine sichere und gleichmäßige Zugabe von Kohlenstoff-Nanostrukturen
(CNS) ermöglicht.
Wissenschaftliche Arbeiten und Lösungsweg
Zunächst wird ein Al-basierter Fülldraht entwickelt, der die Grundlage für die Modifizierung des Pulverkerns mit Nanostrukturen bildet. Dafür wird ein Aluminiumband in einem kontinuierlichen Prozess U-förmig geformt, mit dem Pulver definiert befüllt, das Band um den Al-Pulverkern geschlossen und der so entstandene Draht auf den Enddurchmesser reduziert. Anschließend erfolgt die Modifizierung des Al-Pulvers mit Kohlen-Nanostrukturen (CNS), die direkt auf der Pulveroberfläche aus einer Gasphase synthetisiert werden. Im Verbund mit dem Mantel ergibt sich ein flexibler Zusatzwerkstoff, in dem Pulver- und Mantelwerkstoff sowie Konzentration und Form der CNS variabel ausgelegt werden können. Die additive Fertigung von 3D-Komponenten mit den entwickelten nanoverstärkten Al-Fülldrähten bewertet das Leichtbaupotential im Vergleich zu Referenzstrukturen aus konventionellen Schweißzusatzwerkstoffen.
Exponate
Aluminium-Fülldraht: Der entwickelte Aluminium-Fülldraht als Basis für die Verstärkung mit Kohlenstoff-Nanostrukturen. © BTU Cottbus-Senftenberg
Verfahren zur Herstellung von Al-Fülldrähten: Das kontinuierliche Verfahren setzt sich aus zwei Schritten zusammen: 1. Befüllen des Aluminiums-Bandes mit definierten Al-Pulvermengen (im Bild). 2. Schließen des Pulver befüllten Bandes zum nahtlosen Fülldraht und Reduzieren des Al-Fülldrahtes auf den Enddurchmesser zur Verarbeitung im lichtbogenbasierten ALM Prozess. © BTU
3D-gedruckter Probekörper aus Al-Referenzwerkstoff: Additiv gefertigte Referenzprobe aus Al99.7, AlSi5 und AlMg5Cr zur Auslegung der Mantel- und Füllpulverzusammensetzung. © GEFERTEC GmbH