Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Mechanisches Fügen metallischer, additiv auf Pulverbasis gefertigter Bauteile

Die additive Fertigung metallischer Bauteile erlangt zunehmend an Bedeutung, da hierdurch ein hochintegrativer Leichtbau realisiert wird. Aktuell liefern Verfahren aus dem Bereich der thermischen und klebtechnischen Fügetechnik Lösungsansätze, um 3D-gedruckte Bauteile mit konventionell hergestellten Fügepartnern zu verbinden. Erfahrungen zum Fügen mittels mechanischer Fügeverfahren existieren derzeit nicht. Prozessbedingte Oberflächenrauheiten sowie das Auftreten von Poren wirken sich auf den Fügeprozess und die Eigenschaften einer Verbindung aus. Auch das baurichtungsbedingte, anisotrope Werkstoffverhalten kann die Verbindungsqualität beeinflussen. Basierend auf dieser Ausgangslage zielt das Forschungsvorhaben darauf ab, die mechanische Fügeeignung metallischer, additiv gefertigter Bauteile zu untersuchen.

Der Lösungsweg sieht vor, nach der Festlegung der Randbedingungen mit einer anschließenden Analyse der Eigenschaften der additiv gefertigten Bauteile die mechanische Fügeeignung zu untersuchen. Zu diesem Zweck werden werkstofflich gleiche Bauteile unter verschiedenen Winkeln zur Bauplattform gedruckt und mithilfe mechanischer Fügeverfahren gefügt. Durch den Einsatz verschiedener Nachbehandlungen werden die Bauteileigenschaften zusätzlich beeinflusst und deren Auswirkung auf die Verbindungsqualität analysiert. Eine anschließende mechanische Charakterisierung ausgewählter Verbindungen ermöglicht die Erstellung einer Richtlinie zum mechanischen Fügen metallischer, additiv gefertigter Bauteile. Die Ergebnisse werden in Form eines Abschlussberichtes dokumentiert.

Die Erkenntnisse der Untersuchungen liefern Unternehmen aus den Bereichen der Element- und Systemanlagenherstellung, zu welchen insbesondere KMU zählen, wertvolle Informationen zum Fügen metallischer, additiv gefertigter Bauteile. Somit wird die Erschließung neuer Anwendungsfelder und die Erweiterung des Portfolios potenzieller Fügeverfahren für das Verbinden additiv gefertigter Bauteile ermöglicht.

Ergebniszusammenfassung:

Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens zeigen, dass additiv gefertigte Bauteile mittels mechanischer Fügeverfahren anforderungsgerecht gefügt werden können und dadurch neue Möglichkeiten und perspektivisch neue Produkte für KMU ermöglichen. Neben der Weiterentwicklung verschiedener Additiver Fertigungsverfahren in Bezug auf Prozess- und Bauteilqualität war es daher auch erforderlich, die mechanische Fügetechnik für additiv gefertigte Komponenten umfassend zu qualifizieren. Dies wurde erreicht, indem die Eigenschaften der additiv gefertigten Bauteile charakterisiert und Fließkurven für verschiedene Baurichtung abgeleitet wurden. Die Eignung für das Fügen in insgesamt zehn Kombinationen der Fügeverfahren Clinchen, Halbhohlstanznieten und fließlochformendes Schrauben wurde überprüft. Abhängig von den Ergebnissen der Musterungen wurden Optimierungen vorgenommen, entweder am additiv gefertigten Bauteil selbst (z. B. durch Wärmebehandlung) oder im Fügeprozess. Dies beinhaltete beispielsweise die Verwendung spezieller Matrizen beim Halbhohlstanznieten oder die Anpassung der Prozessparameter je nach Baurichtung beim fließlochformenden Schrauben. Anschließend wurden Verbindungen für die Fügeverfahren Halbhohlstanznieten und fließlochformendes Schrauben ausgewählt, die ein hohes Potenzial zur Erfüllung der definierten Kriterien aufwiesen. Für diese Verbindungen wurden quasistatische und zyklische Tragfähigkeitsuntersuchungen durchgeführt. Von den konkreten Handlungsempfehlungen, die aus dem Projekt resultieren, profitieren vor allem kleine und mittlere Unternehmen (KMU) im Bereich der Additiven Fertigung sowie die Systemhersteller. Diese Empfehlungen können i entsprechende Produkte umgesetzt werden. Die geplante Vorgehensweise und Anwendungsrichtlinie in diesem Forschungsvorhaben dienen den KMU als Methodik, mit der sie auch die Eignung anderer Materialien für die Additive Fertigung bewerten können, die nicht im Projekt betrachtet wurden.