Was ist Hybride und Additive Fertigung?
Die additive Fertigung zählt zu den zentralen Zukunftstechnologien der modernen Werkstoff- und Produktionstechnik. Im Gegensatz zu konventionellen Fertigungsverfahren werden Bauteile dabei schichtweise aufgebaut, wodurch komplexe Geometrien, funktionsoptimierte Strukturen und eine besonders flexible Bauteilgestaltung möglich werden. Gleichzeitig stellt die additive Fertigung hohe Anforderungen an das Verständnis von Werkstoff, Prozess und Bauteileigenschaften, da lokale Temperaturverläufe, Erstarrungsbedingungen und Prozessparameter die entstehende Mikrostruktur maßgeblich beeinflussen.
Die hybride Fertigung erweitert diesen Ansatz, indem additive Verfahren mit weiteren Fertigungs- oder Bearbeitungsschritten kombiniert werden. Dazu zählen beispielsweise spanende Nachbearbeitung, Wärmebehandlung, Beschichtung, Reparatur oder gezielte lokale Modifikation von Bauteilen. Am Lehrstuhl für Materialkunde und Werkstoffprüfung untersuchen wir, wie additive und hybride Fertigungsprozesse die Mikrostruktur, Defektbildung, Eigenspannungen, Oberflächenqualität und mechanischen Eigenschaften von Werkstoffen beeinflussen. Ziel ist es, Prozessführung, Werkstoffverhalten und Bauteilbewertung so miteinander zu verbinden, dass leistungsfähige, zuverlässige und anwendungsnahe Werkstofflösungen entstehen.
Forschung am Lehrstuhl
Prozesse verstehen, Werkstoffe gezielt gestalten und Bauteileigenschaften zuverlässig bewerten
Am Lehrstuhl für Materialkunde und Werkstoffprüfung betrachten wir hybride und additive Fertigung als Zusammenspiel von Werkstoff, Prozessführung, Mikrostruktur und Bauteilanforderung. Im Mittelpunkt steht die Frage, wie sich additive Herstellungsprozesse, nachgelagerte Bearbeitungsschritte und hybride Prozessketten auf Gefügeausbildung, Defektstruktur, Eigenspannungen, Oberflächenzustand und mechanische Eigenschaften auswirken.
Dabei kombinieren wir moderne Fertigungs- und Bearbeitungsverfahren mit metallographischer, mikroskopischer und mechanischer Charakterisierung. So lassen sich Zusammenhänge zwischen Prozessparametern, Werkstoffzustand und Bauteilverhalten systematisch untersuchen. Ein besonderer Fokus liegt auf der Bewertung additiv gefertigter und hybrid bearbeiteter metallischer Werkstoffe sowie auf der Ableitung werkstofftechnischer Lösungsansätze für zuverlässige, funktionsoptimierte und anwendungsnahe Bauteile.
Methoden und Kompetenzen
Von der zyklischen Prüfung bis zur Bruchflächenanalyse
Gezielter Materialauftrag zur Herstellung, Reparatur und Funktionalisierung metallischer Bauteile. Im Fokus stehen Prozessführung, Schichtaufbau, Werkstoffbindung und die resultierenden Bauteileigenschaften.
Additive Fertigung komplexer metallischer Bauteile aus dem Pulverbett. Untersucht werden der Einfluss von Prozessparametern, Erstarrungsbedingungen und Defektbildung auf Mikrostruktur und mechanisches Verhalten.
Kombination additiver Fertigung mit nachgelagerten Bearbeitungs- und Wärmebehandlungsprozessen. Ziel ist die gezielte Einstellung von Oberflächenzustand, Gefüge, Eigenspannungen und Bauteilperformance.
Metallographische Untersuchungen zur Bewertung von Gefüge, Poren, Rissen und Bindungszonen. So lassen sich Prozessmerkmale additiv gefertigter und hybrid bearbeiteter Werkstoffe mit den Bauteileigenschaften verknüpfen.
Bewertung mechanischer Eigenschaften wie Härte, Festigkeit, Duktilität und Ermüdungsverhalten. Dadurch lassen sich Prozessparameter mit dem späteren Bauteilverhalten verknüpfen.
Analyse des Einflusses von Energieeintrag, Temperaturführung, Abkühlbedingungen und Bearbeitungsstrategie auf Mikrostruktur, Defektbildung und mechanische Eigenschaften.
Projekte im Themenfeld
Übersicht über Forschungsprojekte im Bereich Hybrider und Additiver Fertigung
Die Herstellung verschleißbeständiger Funktionsschichten mittels Extremem Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen erfordert ein präzises Zusammenspiel von Werkstoff, Prozessführung und Schichtaufbau. Im Fokus steht die Entwicklung dichter, rissarmer und mechanisch belastbarer Beschichtungen auf Basis metallischer Matrixwerkstoffe mit eingelagerten WC-Partikeln.
Untersucht wird, wie zentrale Prozessparameter wie Laserleistung, Pulverzufuhr, Relativgeschwindigkeit, Spotgröße und Bahnüberlappung die Mikrostruktur, Defektbildung und Eigenschaften der Beschichtung beeinflussen. Durch die Kombination experimenteller Beschichtungsversuche mit metallographischer Analyse, mikroskopischer Charakterisierung und Härteprüfung lassen sich geeignete Prozessfenster ableiten. Ziel ist ein besseres Verständnis der Zusammenhänge zwischen EHLA-Prozessführung, Schichtqualität und anwendungsnaher Leistungsfähigkeit hochbeanspruchter Oberflächen.
Die Beschichtung hochbeanspruchter Gussrollen mittels Extremem Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen eröffnet neue Möglichkeiten zur gezielten Verbesserung von Oberflächeneigenschaften. Im Fokus steht die Entwicklung dichter, haftfester und korrosionsbeständiger Funktionsschichten, die den Grundwerkstoff schützen und die Einsatzdauer industrieller Bauteile verlängern können.
Untersucht wird, wie Prozessparameter wie Laserleistung, Pulverzufuhr, Rotationsgeschwindigkeit, Laserspotdurchmesser und Schutzgasstrom die Schichtqualität beeinflussen. Durch die Kombination systematischer Versuchsplanung mit metallographischer Analyse, Härteprüfung, Schichthaftungsbewertung und elektrochemischer Korrosionsmessung lassen sich geeignete Prozessfenster für funktionale EHLA-Beschichtungen ableiten. Ziel ist ein besseres Verständnis der Zusammenhänge zwischen Prozessführung, Schichtaufbau und anwendungsnaher Leistungsfähigkeit beschichteter Gussbauteile.
Nach allgemeiner wissenschaftlicher Erkenntnis ist es nicht möglich, die Ursache für eine Veränderung der Wellenausbreitung in Faser-Metall-Laminaten (FML) eindeutig zu bestimmen, wenn verschiedene Umgebungsbedingungen und eine sich ändernde interlaminare Beanspruchung gleichzeitig auf das Guided Ultrasonic Waves (GUW) Structural Health Monitoring (SHM) System einwirken. Daher werden in diesem Teilprojekt der Forschergruppe FOR 3022 die Auswirkungen einzelner relevanter Zustandsmerkmale systematisch untersucht, um geeignete Kompensationsverfahren zu entwickeln und damit eine zuverlässige Schadenserkennung zu ermöglichen. Mit experimentellen Methoden wird ein Zusammenhang zwischen Wellenausbreitung und Schädigung hergestellt sowie der Einfluss von thermischen Effekten oder interlaminaren Vorspannungen, die insbesondere durch prozessbedingte Eigenspannungen bei der Herstellung induziert werden, ermittelt. Diese Eigenspannung beschreibt einen inneren Spannungszustand, der durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten in einem FML verursacht wird und zu einer Vorspannung der einzelnen Schichten führt. Untersucht werden Glaslaminat-Aluminium-verstärkte Epoxid- (GLARE) und Kohlenstofffaser-verstärkte Polymer- (CFK) Stahl-Laminate. Im Hinblick auf die Unterschiede in der Steifigkeit und den thermischen Eigenschaften stellen diese beiden FML Extremfälle im betrachteten Verhalten dar. Unterstützende Nachweismethoden auf der Basis von Röntgen- und Computertomographie (CT) oder Ultraschallprüfung (UT) mit Volumenwellen werden an der Universität Siegen in Zusammenarbeit mit der Universität Bremen und der TU Braunschweig eingesetzt, um einen eindeutigen Zusammenhang zwischen Wellenausbreitung, Eigenspannungen und Schädigungsmerkmalen zu erhalten. Die spezifischen Schädigungsmerkmale werden im anderen Teilprojekt zur Validierung des Simulationsmodells verwendet und fließen in die entwickelten maschinellen Lernverfahren ein. Ziel der durchgeführten Untersuchungen ist es, ein fundiertes Verständnis dafür zu erlangen, wie unterschiedliche Bedingungen und Aufprallschäden die Ausbreitung von GUW in FML beeinflussen. Abb. 1 veranschaulicht diesen Ansatz.
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