Materialforschung für die Zukunft der Luftfahrt

Wie lassen sich besonders leichte und dennoch extrem belastbare Aluminiumbauteile für die Luft- und Raumfahrt im industriellen 3D-Druckverfahren herstellen? Diese Frage steht im Mittelpunkt des neuen, vom Bund geförderten ErUM-Transfer Forschungsprojekts AlaAF. Die Technische Universität München (TUM) mit Ihrem Forschungsreaktor FRM II, das Unternehmen Colibrium Additive und die Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) wollen gemeinsam entsprechende Lösungen entwickeln.

Prag_RG Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen des FRM II führen Probenmessungen mit Neutronen am Forschungsreaktor in Rez bei Prag durch. V.l.n.r. Dr. Seda Ulusoy, Dr. Massimo Fritton, Simon Sebold, Dr. habil. Steffen Neumeier (FAU), Dr. habil. Ralph Gilles, Dr. Stefan Engel; Vordergrund: Dr. Gergely Farkas. © Dr. Vasyl Ryukhtin, NPI Rez

Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen des FRM II führen Probenmessungen mit Neutronen am Forschungsreaktor in Rez bei Prag durch. V.l.n.r. Dr. Seda Ulusoy, Dr. Massimo Fritton, Simon Sebold, Dr. habil. Steffen Neumeier (FAU), Dr. habil. Ralph Gilles, Dr. Stefan Engel; Vordergrund: Dr. Gergely Farkas. © Dr. Vasyl Ryukhtin, NPI Rez

Im Fokus steht dabei das sogenannte Laser Powder Bed Fusion (LPBF)-Verfahren, ein additiver Fertigungsprozess, bei dem Metallpulver Schicht für Schicht mithilfe eines Lasers zu hochpräzisen Bauteilen verschmolzen wird. Dieses Verfahren ermöglicht eine große Designfreiheit. Es konnte jedoch bisher zum Beispiel bei hochfesten Aluminium-Legierungen, wie sie für tragende Strukturelemente in Flugzeugen und Raumfahrtgeräten benötigt werden, nicht eingesetzt werden, da sie bei der Abkühlung zur Bildung von Rissen neigen.

Keramikpartikel als “Mikro-Baumeister”

Das Projekt verfolgt einen neuen Ansatz, bei dem spezielle Zusatzstoffe im Metallpulver während des Druckprozesses chemisch reagieren und fein verteilte keramische Partikel im Submikrometerbereich bilden. Diese Partikel beeinflussen das Kristallwachstum im Material, indem sie eine feinkörnige, gleichmäßige Mikrostruktur fördern und somit die Entstehung von Rissen reduzieren. Damit wird die industrielle Nutzung der bislang als kaum druckbar geltenden Aluminium-Legierungen möglich, was klare Vorteile bedeutet, wie geringeres Gewicht, höhere Belastbarkeit und eine nachhaltigere Fertigung durch Materialeinsparung.

Colibrium_Additive_Gruppenfoto Beim Besuch bei Colibrium Additive erhielten alle Projektmitglieder eine Werksführung und warfen einen Blick auf die großformatigen 3D-Drucker. Künftig sollen diese widerstandsfähigere Aluminium-Bauteile fertigen. V.l.n.r.: Simon Sebold, Benno Schönleber, Martin Neumeyer, Dr. Daniel Rommel, Dr. Stefan Engel, Dr. habil. Ralph Gilles, Dr. habil. Steffen Neumeier, Robert Dean © Colibrium Additive, a GE Aerospace company

Beim Besuch bei Colibrium Additive erhielten alle Projektmitglieder eine Werksführung und warfen einen Blick auf die großformatigen 3D-Drucker. Künftig sollen diese widerstandsfähigere Aluminium-Bauteile fertigen. V.l.n.r.: Simon Sebold, Benno Schönleber, Martin Neumeyer, Dr. Daniel Rommel, Dr. Stefan Engel, Dr. habil. Ralph Gilles, Dr. habil. Steffen Neumeier, Robert Dean © Colibrium Additive, a GE Aerospace company

Partner mit klaren Kompetenzen

Im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) mit einer Summe von 1,17 Mio. Euro geförderten Projekts arbeiten die drei Partner eng zusammen:

Das 3D-Druck-Unternehmen Colibrium Additive bringt modernste industrielle Technologie ein und entwickelt gemeinsam mit der TUM und der FAU die geeigneten Prozessparameter für das LPBF-Verfahren. Die FAU analysiert hierzu insbesondere mit mikroskopischen Methoden die gedruckten Materialien und deren mechanischen Eigenschaften. Die Forschenden am FRM II sind verantwortlich für die umfassende Untersuchung und Qualitätsprüfung der Werkstoffe mittels Neutronenmethoden.

Dabei kommen am FRM II mehrere spezielle Verfahren zum Einsatz: Mit der Neutronendiffraktion lassen sich Phasenverteilungen und innere Spannungen, zentrale Größen für die Bewertung von Festigkeit und Stabilität, präzise bestimmen. Die Neutronenbildgebung (Radiographie und Tomographie) ermöglicht es, selbst feinste Risse oder Poren zerstörungsfrei und tief im Inneren der Proben sichtbar zu machen. Generell wird die größere Sensitivität der Neutronen im Gegensatz zu Röntgenstrahlung genutzt, um die Mikrostruktur des Materials besser zu verstehen.

Dr. habil. Ralph Gilles, Projektleiter der TUM und Sprecher des Konsortiums, erläutert den besonderen Vorteil dieser Methoden: „Neutronen haben eine hohe Eindringtiefe und eignen sich daher hervorragend zur Analyse großer, additiv gefertigter Bauteile für die Industrie – eine Aufgabe, die mit anderen Techniken so nicht möglich wäre.“

20250303 grafik AdvancedMaterials neuesLogo DE Das Projekt bündelt die Expertise der TUM, der FAU und Colibrium Additive, um rissfreie Aluminium-Legierungen für die Luft- und Raumfahrt zu entwickeln. © E. Malter; TUM (R. Müller, R. Gilles); Colibrium Additive, a GE Aerospace company

Das Projekt bündelt die Expertise der TUM, der FAU und Colibrium Additive, um rissfreie Aluminium-Legierungen für die Luft- und Raumfahrt zu entwickeln. © E. Malter; TUM (R. Müller, R. Gilles); Colibrium Additive, a GE Aerospace company

Zusätzlich erlaubt die Kombination von Neutronenexperimenten mit mechanischer Belastung und Temperaturvariation an einer am FRM II eigens entwickelten Prüfmaschine (BMFTR gefördertes Projekt HiMat und H2Mat) eine realitätsnahe Simulation industrieller Einsatzbedingungen. So kann das Materialverhalten unter typischen Betriebsbedingungen erfasst werden.