Additive Fertigung Mit KI neue Werkstoffe für den Metall-3D-Druck finden

Forscher des Fraunhofer IWS entwickeln Methoden, um mittels Künstlicher Intelligenz neue Werkstoffe und druckbare Legierungen für den Metall-3D-Druck zu finden.

Additive Fertigung findet zwar bereits in vielen Gebieten Einsatz, beschränkt sich jedoch auf bestimmte Werkstoffe, die genutzt werden können. Um in Zukunft jedoch Bauteile aus verschiedenen Werkstoffen und mit hitzebeständigen Legierungen additiv fertigen zu können, entwickeln Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für für Werkstoff- und Strahltechnik IWS neue Methoden.

Zahlreiche Daten helfen bei der Entwicklung

Im Zentrum der Dresdner Wissenschaftler steht das Laser-Pulver-Auftragschweißen und die dabei verwendeten Materialien. In diesem Verfahren fördert eine Anlage verschiedene Zusatzpulver in eine Prozesszone. Dort schmilzt ein Laser die Pulver auf und schweißt sie auf eine Werkstückoberfläche auf. So entsteht Schicht für Schicht die gewünschte Form.

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„Zu den Vorteilen dieses additiven Verfahrens gehört, dass wir den Prozess sehr flexibel an die Anforderungen von Hochleistungsmaterialien anpassen können“, erklärt Projektadministrator Michael Müller vom IWS. Damit gelinge es zum Beispiel auch, Nickel-Basislegierungen zu drucken, die sich mit traditionellen Verfahren nur schwer schweißen und verarbeiten lassen. Das funktioniert aber nur, wenn Temperatur, Pulversorten, Förderrate und andere Einstellungen genau stimmen. „Wir müssen alle Stellschrauben genau justieren“, erläutert Michael Müller. „Nur so können wir die richtige Rezeptur finden.“ Damit das gelingt, sammeln die Ingenieure des Fraunhofer IWS mittels Sensoren zahlreiche Daten mit hohen Abtastraten – diese großen Datenmengen sind für Menschen allerdings nur noch schwer zu überblicken.

KI hilft, neue Werkstoffe zu finden

Um dennoch verborgene Zusammenhänge in diesen Signalfluten zu finden, nutzen die Fraunhofer-Experten Künstliche Intelligenz (KI) und Maschinelles Lernen. Spezielle Analyse-Algorithmen verknüpfen beispielsweise die ausgemessenen Sensorwerte mit der Pulverdatenbank des Instituts und werten weitere Prozessparameter aus. Mit der Zeit lernen die Maschinen dadurch, selbstständig Entscheidungen zu treffen. Zum Beispiel erkennen sie selbst, ob sich ein leichter Temperaturanstieg im Schweißprozess tolerieren lässt oder ob sie sofort gegensteuern müssen, bevor das ganze Bauteil zum Ausschuss wird.

Das Interesse aus der Wirtschaft an solchen additiven Fertigungsverfahren der nächsten Generation ist groß: „Die Industrie sucht nach immer mehr und immer anderen Werkstoffen, die aber oft nur schwer zu verarbeiten sind“, betont Prof. Frank Brückner, Geschäftsfeldleiter Generieren und Drucken am Fraunhofer IWS.

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Superlegierungen additiv fertigen

Ein Beispiel dafür sind Flugzeugtriebwerke: Sie könnten heißer und effizienter arbeiten, wenn nicht die meisten Materialien bei Temperaturen um etwa 1200 °C bereits versagen würden. Zwar existieren Werkstoffe, die auch derart hohe Temperaturen aushalten, aber sie sind kostenintensiv und lassen sich nur schwer mit traditionellen Methoden verarbeiten. Die additive Fertigung soll dieses Dilemma lösen. Zudem könnte sie für eine günstigere Bauweise sorgen: „Mittels Laser-Pulver-Auftragschweißens können wir verschiedene Pulver zeitgleich oder nacheinander mit genau einstellbaren Förderraten in die Prozesszone bringen“, erklärt Michael Müller. Eine ganze Komponente aus einem einzigen Material zu konstruieren, ist wenig effektiv, denn das Bauteil ist nicht an allen Punkten derselben Hitze ausgesetzt. „Besser wäre es, das teure, hochbeanspruchbare Material nur dort zu verwenden, wo es richtig heiß wird“, sagt Michael Müller. „An anderen Stellen wäre ein preiswerteres Material ausreichend.“

Eben dies lässt sich mit additiven Fertigungsanlagen durchaus realisieren – wenn sie gelernt haben, die benötigten Superlegierungen zu verarbeiten. „Im nächsten Schritt möchten wir verschiedene Hochleistungsmaterialien innerhalb einer einzigen Komponente kombinieren“, kündigt Projektadministrator Müller an. Im Verbundprojekt „Future AM“ führen das IWS und fünf weitere Fraunhofer-Institute dieses und weiteres Wissen zusammen, um die additive Fertigung auf eine neue Stufe zu heben. Bis zum Sommer 2020 wollen sie all diese Expertise in die Prozesskette der additiven Fertigung integrieren und an handfesten Bauteilen demonstrieren. Das langfristige Ziel des Projektes ist es, die additive Fertigung von Metallbauteilen mindestens um den Faktor zehn zu beschleunigen.