Additiv gefertigte Verklammerungsstrukturen verbessern Schichthaftung und Anbindung

Werkstoffe 07. 03. 2017
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Der Wandel vom klassischen monolithischen, aus einem einzigen Material gefertigten, Bauteil hin zu Hybridbauweisen aus artfremden Werkstoffen bringt große Herausforderungen mit sich. Moderne Fügeprozesse müssen in der Lage sein, unterschiedliche Materialien dauerhaft und robust miteinander zu verbinden. Das Fraunhofer-IWS, Dresden, setzt bei der Übergangsstelle zwischen Metall und Keramik oder Kunststoff auf Verklammerungsstrukturen. Die maßgeschneiderten Mikrostrukturen ermöglichen im späteren Einsatz eine mechanisch hochbelastbare Verbindung zwischen den Fügepartnern.

Die Verklammerungsstrukturen werden am Fraunhofer-IWS, Dresden, direkt auf dem metallischen Substrat additiv durch eine Vielzahl von übereinanderliegenden Schweißraupen hergestellt. Mit Hilfe des Hochpräzisionslaser-Pulver-Auftragschweißens ist es möglich, sowohl auf rotationssymmetrische oder ebene Substrate als auch auf Freiformflächen präzise Strukturen mit einem hohen Gestaltungsspielraum reproduzierbar, prozesssicher, schnell und wirtschaftlich zu applizieren.

Die mit derartigen Mikrostrukturen versehene Metalloberfläche kann anschließend mit Kunststoff oder mit Keramik überzogen werden. Zur Gewährleistung einer möglichst guten Durchdringung des Kunststoffs oder der Keramik wurde die Geometrie der Mikrostruktur mit Hilfe von CAD/CAM-Werkzeugen angepasst. Auf diese Weise lässt sich der Werkstoffverbund anpassen und der Herstellungsprozess optimieren.

Auch unterschiedliche metallische Werkstoffe, die entsprechend der notwendigen Belastungen im Einsatzfall angepasst sind, können für den additiven Aufbau der Mikrostrukturen eingesetzt werden. Selbst die Variation der Werkstoffzusammensetzung, zum Beispiel für den Aufbau von Gradienten, ist in Dimensionen bis hin in den zweistelligen Mikrometerbereich möglich. Direkt auf die generierten Strukturen lassen sich gegebenenfalls funktionale Elemente weiter generativ aufbauen.

Trotz der geringen Dimensionen weisen die Mikrostrukturen einen porenfreien metallurgischen Werkstoffverbund auf. Dank der sukzessiven Weiterentwicklung von Prozessen und Systemen sowie begleitenden Maßnahmen zur Qualitätssicherung wird die Technologie heute erfolgreich in zivilen Strahltriebwerken der neuesten Generation eingesetzt.

 

Verklammerungsstruktur (oben) zur hochbelastbaren Verbindung von Metall- und Kunststoff (unten) ©Fraunhofer-IWS Dresden

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