Zwar könnte die Additive Fertigung neue Dimensionen für den Leichtbau schaffen. Um sie in der Kfz-Serienproduktion einsetzen zu können, reichen die derzeit verfügbaren Aluminiumlegierungen noch nicht aus. Probleme machen die Crashperformance und deren variable Einsatzfähigkeit. Hinzu kommt die aktuelle Verfahrensgestaltung, mit der vornehmlich hochfeste, jedoch nicht duktile Werkstoffkennwerte, erzeugt werden können. Nun hat Edag im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Forschungsprojekts „Custo Mat 3D“ gemeinsam mit acht Projektpartnern eine Aluminiumlegierung für den Einsatz im Fahrzeug entwickelt, die in der Lage ist, sowohl höhere Festigkeiten als auch höhere Bruchdehnungen bereitzustellen. Die neu erforschte Legierung „Cust Alloy“ kann verwendet werden, um stark gewichtsreduzierte Komponenten im Fahrzeug zu etablieren.

In den vergangenen drei Jahren war die gesamte Prozesskette von der Pulverherstellung über die Simulation bis zur Bauteilentwicklung betrachtet worden. Die Legierungsdefinition und die Herstellung von Pulvern erfolgten durch das Leibniz-Institut für Werkstofforientierte Technologien und Kymera International. Die Verarbeitung und Prozessentwicklung im pulverbettbasierten Laserstrahlschmelzen (LBM) fanden statt an der Fraunhofer-Einrichtung für Additive Produktionstechnologien, bei GE Additive sowie der FKM Sintertechnik GmbH. Eine entsprechende Simulation der schnellen Abkühlung der Schmelze im Prozess wurde erforscht vom Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik sowie der Magma Giessereitechnologie GmbH. Demonstriert wurde die Leistungsfähigkeit bei der Mercedes-Benz AG und der Edag Engineering GmbH mit Unterstützung von Altair Engineering. Der ganzheitliche Ansatz soll die additive Fertigung für Serienprozesse zugänglich machen.

In einer Laborphase wurden zunächst unterschiedliche Legierungen experimentell untersucht. Die erfolgversprechendste Legierung konnte auf unterschiedlichen Laserstrahlschmelzanlagen erprobt werden. Das Besondere deren Vielseitigkeit: Aus einer einzigen Legierung kann ein breites Spektrum an Eigenschaften erzeugt werden. Diese können anhand einer nachgelagerten Wärmebehandlung flexibel eingestellt werden. Aus den ermittelten Werkstoffkennwerten wurden Materialkarten erzeugt, die in einer Strukturoptimierung mit der Software Altair „Opti Struct“ verwendet wurden, um das Gewicht von Bauteilen bei gleicher Leistungsfähigkeit zu senken. Besonders ist hierbei, dass auch die Anforderungen aus dem additiven Fertigungsprozess wie die Bauteil-Ausrichtung berücksichtigt werden können.

30 % besser als erwartet

Aus verschiedenen Bereichen des Fahrzeugs wurden Bauteile ausgewählt. Sowohl bei dem dynamisch hochbelasteten Radträger als auch bei einem komplexen Bauteil mit hohen Steifigkeitsanforderungen aus dem Bereich des Radkastens konnten eine effektive Gewichtseinsparung realisiert werden. Diese lag mit teils über 30 % oberhalb des erwarteten Potenzials. Aufgrund des additiven Fertigungsprozesses kann hier das Bauteil über ein Laststufenmodell gezielt auf die Anforderungen des jeweiligen Fahrzeugs angepasst werden.

Weiterhin wurden Hybridprozesse wie Laserauftragsschweißen sowie Fügeverfahren mit dem neu entwickelten Werkstoff untersucht. In der Simulation war es möglich, die Vorgänge auf der mikroskopischen Ebene des Pulvers über repräsentative Elemente in die makroskopische Simulation des Bauteils zu überführen. So wird eine stark verkürzte Rechenzeit möglich. Als Ergebnis können Eigenspannungen und Verzüge schon vor der Fertigung sichtbar gemacht und verringert werden.

Die Legierung wird unter dem Markennamen Cust Alloy in wenigen Monaten konventionell verfügbar sein. Die Projektpartner ziehen schon jetzt ein durchweg positives Fazit. Aufgrund der Anwendbarkeit sowie der bereits erfolgten Absicherung von Korrosion, Fügetechnik und vieler weiterer Anforderungen der Automobilindustrie ist die Legierung prädestiniert für erste Serieneinsätze. Alle Projektziele konnten erreicht werden. Mit der Legierung, dem zugehörigen Verarbeitungsprozess sowie den erprobten Simulationsmethoden stehen den Experten wirkungsvolle Werkzeuge zur Verringerung des Fahrzeuggewichts und für den Einsatz des 3D-Drucks in der Serienproduktion zur Verfügung.

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